Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

6.4 Lattice dynamics

129

 

 

6.4

Lattice dynamics

 

 

 

 

 

Phonon dispersion relationsa

 

 

 

 

 

 

m m

 

m1

 

m2 (> m1)

 

 

a

 

 

 

 

2a

 

2(α/m)1/2

 

 

(2α/µ)1/2

 

 

 

 

 

(2α/m1)1/2

 

ω

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

(2α/m2)1/2

 

 

 

 

π

 

π

π

 

π

 

a

0 k

a

2a

0 k

2a

 

 

monatomic chain

 

 

diatomic chain

 

 

ω

2

= 4

 

α

sin

2

 

 

ka

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.34)

ω

phonon angular frequency

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

spring constantb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Monatomic

 

 

 

ω

= a

 

 

α

 

 

 

 

1/2

 

 

a

 

 

 

(6.35)

m

atomic mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

linear chain

vp =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinc

 

 

 

 

 

 

vp

 

 

 

 

sinπx )

 

 

 

 

 

 

m!

 

 

 

λ!

 

phase speed (sincx

6

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

1/2

 

 

 

 

 

vg

group speed

 

 

πx

 

 

 

 

∂ω

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

cos

ka

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vg =

 

 

 

= a

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

(6.36)

λ

phonon wavelength

 

 

 

∂k

 

 

 

m

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

wavenumber (= 2π/λ)

 

 

Diatomic

 

 

 

 

α

± α

1

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

(ka)

1/2

 

 

a

atomic separation

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

linear chainc

ω

 

=

 

 

 

 

 

sin

 

(6.37)

µ i

reduced mass

 

2

1

 

 

 

µ

µ2

m1m2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

atomic masses (m

 

> m

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[= m1m2/(m1 + m2)]

 

 

Identical

 

2

 

 

α1 + α2

 

 

 

 

1

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

1/2

αi

alternating spring constants

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

±

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

masses,

ω

 

=

 

 

 

m

 

 

m

(α1

+ α2

+ 2α1α2 coska)

 

 

 

 

m

m

 

 

 

 

 

alternating

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.38)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

spring

 

 

 

 

 

 

0, 2(α

 

 

 

+ α2)/m

 

 

if k = 0

 

 

 

 

 

α1 α2

α1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

constants

 

 

= "2α1/m,

1

 

2α2/m

 

 

if k = π/a

(6.39)

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

aAlong infinite linear atomic chains, considering simple harmonic nearest-neighbour interactions only. The shaded region of the dispersion relation is outside the first Brillouin zone of the reciprocal lattice.

bIn the sense α = restoring force/relative displacement.

cNote that the repeat distance for this chain is 2a, so that the first Brillouin zone extends to |k| < π/(2a). The optic and acoustic branches are the + and − solutions respectively.

130 Solid state physics

Debye theory

Mean energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

mean energy in a mode at ω

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

¯h

(Planck constant)/(2π)

modea

E =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.40)

kB

Boltzmann constant

2 ¯+ exp[¯hω/(kBT )] − 1

per phonon

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

phonon angular frequency

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωD

Debye (angular) frequency

 

ωD = vs(6π2N/V )1/3

(6.41)

Debye

vs

e ective sound speed

 

3

1

 

2

 

 

 

frequency

where

 

 

 

 

vl

longitudinal phase speed

 

 

 

=

 

+

 

 

 

(6.42)

 

 

 

vs3

vl3

vt3

 

vt

transverse phase speed

Debye

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

number of atoms in crystal

θD = ¯D/kB

 

 

 

 

(6.43)

V

crystal volume

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θD

Debye temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3V ω2

 

 

 

 

 

g(ω) density of states at ω

Phonon

g(ω) dω =

 

dω

(6.44)

CV

heat capacity, V constant

 

2π2v3

density of

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

thermal phonon energy

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

states

(for 0 < ω < ωD, g = 0 otherwise)

 

 

within crystal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D(x) Debye function

Debye heat

 

 

T 3

θD/T

x4ex

 

3NkB

 

 

 

capacity

CV =

9NkB θD3

0

(ex − 1)2 dx

(6.45)

CV

 

 

 

Dulong and

 

3NkB

(T θD)

(6.46)

 

 

 

 

 

 

 

Petit’s law

 

 

 

 

Debye T 3

 

12π4

 

T 3

(T θD)

(6.47)

 

 

 

 

law

5 NkB θD3

0

1

T /θD

2

 

U(T ) =

9N

0

ωD

 

 

¯3

 

 

dω ≡ 3NkBT D(θD/T )

(6.48)

Internal

 

 

 

 

 

 

 

 

ωD3

 

 

exp[¯hω/(kBT )]

1

thermal

 

 

 

3

0

x y3

 

 

 

energyb

 

 

 

 

 

 

 

where

D(x) =

 

 

 

dy

 

 

 

(6.49)

x3

ey − 1

 

 

 

aOr any simple harmonic oscillator in thermal equilibrium at temperature T . bNeglecting zero-point energy.

6.4 Lattice dynamics

131

 

 

Lattice forces (simple)

 

 

 

3 αp2 ¯

 

 

 

 

 

φ(r)

two-particle potential

Van der Waals

φ(r) = −

 

 

 

 

(6.50)

 

energy

interactiona

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

particle separation

4

(4π 0)2r6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

αp

particle polarisability

 

φ(r) = −

A

+

B

 

 

 

 

(6.51)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯h

(Planck constant)/(2π)

 

r6

r12

 

 

 

 

Lennard–Jones

 

= 4

 

 

σ

 

 

12

 

 

 

σ

 

6

 

0

permittivity of free space

6-12 potential

 

 

 

r

 

 

 

 

r

 

 

(6.52)

 

polarised orbital

(molecular

σ = (B/A)1/6 ;

!

= A2

!

 

 

ω

angular frequency of

 

 

 

 

crystals)

 

 

/(4B)

 

A,B

constants

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21/6

 

 

 

 

 

 

Lennard–Jones

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φmin

at

r =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.53)

 

parameters

 

 

σ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De Boer

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Λ

de Boer parameter

Λ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.54)

h

Planck constant

parameter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ(m )1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

particle mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UC

lattice Coulomb energy

Coulomb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

per ion pair

 

 

 

 

 

 

 

e2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

αM

Madelung constant

interaction

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UC = −αM 4π 0r0

 

 

 

 

(6.55)

e

electronic charge

(ionic crystals)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r0

nearest neighbour

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

separation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aLondon’s formula for fluctuating dipole interactions, neglecting the propagation time between particles.

6

Lattice thermal expansion and conduction

Gruneisen¨

 

 

 

 

lnω

 

 

 

 

γ

Gruneisen¨ parameter

 

 

γ =

 

 

 

 

 

 

(6.56)

 

 

 

 

parametera

lnV

 

 

 

ω

normal mode frequency

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

volume

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

linear expansivity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Linear

 

1

 

 

∂p

 

 

γCV

 

KT

isothermal bulk modulus

 

 

 

 

 

(6.57)

 

 

 

 

expansivityb

α =

 

3KT ∂T V

= 3KT V

T

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

pressure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CV

lattice heat capacity, constant V

Thermal

 

 

1

 

CV

 

 

 

 

 

 

 

λ

thermal conductivity

 

 

conductivity of

λ =

 

 

vsl

 

 

 

(6.58)

vs

e ective sound speed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a phonon gas

 

 

3 V

 

 

 

 

 

 

 

 

l

phonon mean free path

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Umklapp mean

lu exp(θu/T )

 

 

(6.59)

lu

umklapp mean free path

θD/2)

free pathc

 

 

θu

umklapp temperature (

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aStrictly, the Gruneisen¨ parameter is the mean of γ over all normal modes, weighted by the mode’s contribution to

CV .

bOr “coe cient of thermal expansion,” for an isotropically expanding crystal.

cMean free path determined solely by “umklapp processes” – the scattering of phonons outside the first Brillouin zone.

132

Solid state physics

 

 

6.5Electrons in solids

Free electron transport properties

Current density

J = −nevd

 

 

 

 

 

 

(6.60)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mean electron

vd =

 

 

 

 

 

 

(6.61)

 

 

 

 

 

 

E

drift velocity

me

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d.c. electrical

σ0 =

ne2τ

 

 

 

 

 

 

(6.62)

conductivity

 

 

 

me

 

 

 

 

 

 

 

a.c. electrical

σ(ω) =

 

 

 

 

 

σ0

(6.63)

conductivitya

1 − iωτ

 

 

 

 

 

 

 

1 CV

 

 

 

 

 

 

 

 

λ =

 

 

 

 

 

 

 

c2 τ

(6.64)

Thermal

 

 

3

V

conductivity

 

 

 

 

π2nkB2 τT

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(T TF)

 

 

 

 

 

 

 

3me

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.65)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wiedemann–

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π2k2

 

Franz lawb

 

 

 

= L =

 

 

 

B

 

(6.66)

 

σT

 

3e2

Hall coe cientc

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Ey

 

RH = − ne = JxBz

(6.67)

 

Hall voltage

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BzIx

 

 

 

 

(rectangular

VH

= RH

 

(6.68)

 

strip)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jcurrent density

nfree electron number density

e electronic charge

vd mean electron drift velocity

τmean time between collisions (relaxation time)

me electronic mass

Eapplied electric field

σ0 d.c. conductivity (J = σE )

ωa.c. angular frequency

σ(ω) a.c. conductivity

CV total electron heat capacity, V constant

Vvolume

c2 mean square electron speed

kB Boltzmann constant

Ttemperature

TF Fermi temperature

LLorenz constant ( 2.45 × 10−8 WΩ K−2)

λ

thermal conductivity

 

Jx

RH

Hall coe cient

Ey Bz

 

w

Ey

Hall electric field

 

 

 

Jx

applied current density

 

 

 

Bz

magnetic flux density

+

 

VH

Hall voltage

VH

Ix

applied current (= Jx × cross-sectional area)

wstrip thickness in z

aFor an electric field varying as e−iωt. bHolds for an arbitrary band structure.

cThe charge on an electron is −e, where e is the elementary charge (approximately +1.6 × 10−19 C). The Hall coe cient is therefore a negative number when the dominant charge carriers are electrons.

6.5 Electrons in solids

133

 

 

Fermi gas

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

m

 

3/2

 

 

 

g(E) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 e

 

E1/2

(6.69)

Electronadensity

2π2

¯h2

 

of states

g(EF) =

3 nV

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.70)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 EF

 

 

 

 

 

 

 

 

Fermi

kF = (3π2n)1/3

 

 

 

 

 

 

(6.71)

wavenumber

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fermi velocity

vF = ¯hkF/me

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.72)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fermi energy

 

 

 

¯h2k2

 

 

 

 

¯h2

 

2

 

2/3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(T = 0)

EF =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

(3π

n)

 

(6.73)

 

2me

2me

 

Fermi

TF =

 

EF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.74)

temperature

 

kB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Electron heat

 

 

 

 

 

π2

 

 

 

 

)k2 T

 

 

 

 

C

V e

=

 

 

 

 

 

g(E

F

 

 

 

(6.75)

 

 

 

 

 

 

 

 

capacityb

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(T TF)

 

 

 

 

 

π2k2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

B

T

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.76)

 

 

 

2EF

 

 

 

 

 

 

 

 

Total kinetic

U0 =

3

nV EF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.77)

energy (T = 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pauli

M = χHPH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.78)

 

 

 

 

3n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

paramagnetism

 

=

 

 

 

2

 

 

 

 

 

(6.79)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ0µBH

 

 

 

 

 

 

 

 

2EF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Landau

χHL = −

1

χHP

 

 

 

 

 

 

(6.80)

diamagnetism

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

Eelectron energy (> 0)

g(E) density of states

V“gas” volume

me

electronic mass

¯h

(Planck constant)/(2π)

kF

Fermi wavenumber

nnumber of electrons per unit volume

vF

Fermi velocity

EF

Fermi energy

TF

Fermi temperature

kB

Boltzmann constant

CV e heat capacity per electron

Ttemperature

U0

total kinetic energy

6

χHP

Pauli magnetic susceptibility

Hmagnetic field strength

Mmagnetisation

µ0

permeability of free space

µB

Bohr magneton

χHL Landau magnetic susceptibility

aThe density of states is often quoted per unit volume in real space (i.e., g(E)/V here). bEquation (6.75) holds for any density of states.

Thermoelectricity

Thermopower

a

J

 

E

electrochemical fieldb

 

 

 

 

 

J

current density

 

E = σ + ST T

(6.81)

 

 

σ

electrical conductivity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ST

thermopower

 

 

H = ΠJ λ T

 

Peltier e ect

 

(6.82)

T

temperature

 

 

 

 

 

 

H

heat flux per unit area

 

 

 

 

 

 

Π

Peltier coe cient

Kelvin relation

Π = T ST

(6.83)

λ

thermal conductivity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aOr “absolute thermoelectric power.”

bThe electrochemical field is the gradient of (µ/e) − φ, where µ is the chemical potential, −e the electronic charge, and φ the electrical potential.

134 Solid state physics

Band theory and semiconductors

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ψ

electron eigenstate

Bloch’s theorem

Ψ(r + R) = exp(ik · R)Ψ(r)

(6.84)

k

 

Bloch wavevector

R

lattice vector

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

position vector

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vb

electron velocity (for wavevector

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Electron

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯h

 

(Planck constant)/2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

velocity

vb(k) = ¯h k Eb(k)

 

(6.85)

 

 

b

 

band index

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eb(k)

energy band

E ective mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2Eb(k) −1

 

 

mij

e ective mass tensor

tensor

mij = ¯h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.86)

ki

 

components of k

∂ki∂kj

 

 

 

Scalar e ective

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2E (k)

 

 

−1

 

 

m

scalar e ective mass

massa

m = ¯h2

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

(6.87)

 

 

 

 

 

∂k2

 

k

 

= |k|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

particle mobility

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vd

mean drift velocity

Mobility

µ =

|vd|

 

=

eD

 

 

 

 

 

 

(6.88)

E

 

applied electric field

 

kBT

 

 

 

 

 

e

electronic charge

 

 

 

|

E

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

di usion coe cient

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

current density

Net current

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J = (neµe + nhµh)eE

 

(6.89)

ne,h

electron, hole, number densities

density

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µe,h

electron, hole, mobilities

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Semiconductor

nenh =

(kBT )

3

(me mh)3/2eEg /(kBT )

kB

Boltzmann constant

2

 

 

E

 

band gap

equation

 

 

 

 

 

 

 

2(π¯h )3

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.90)

me,h

electron, hole, e ective masses

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

current

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eV

 

 

− 1

 

 

I0

saturation current

 

I = I0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.91)

ni

intrinsic carrier concentration

 

exp kBT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

De

 

 

 

Dh

 

 

V

 

bias voltage (+ for forward)

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

A

area of junction

p-n junction

I0 = eni

 

 

 

+

 

(6.92)

 

 

LeNa

 

 

LhNd

De,h

electron, hole, di usion

 

Le = (Deτe)1/2

 

 

 

 

 

(6.93)

 

 

coe cients

 

 

 

 

 

 

Le,h

electron, hole, di usion lengths

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ )1/2

 

 

 

 

 

 

 

L

h

= (D

 

 

 

 

 

 

(6.94)

τe,h

electron, hole, recombination

 

 

 

 

 

 

 

 

h

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

times

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Na,d

acceptor, donor, concentrations

aValid for regions of k-space in which Eb(k) can be taken as independent of the direction of k.