Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
консп лекц эл стр.doc
Скачиваний:
66
Добавлен:
11.11.2019
Размер:
4.72 Mб
Скачать

2.4 Эффективная масса электрона в кристалле, её связь со структурой энергетических зон. Понятие дырки. Динамика электрона в периодическом поле изитропных и анизотропных кристаллов.

Эффективная масса носителей заряда в телах

В кристалле на электрон действуют огромные силы со стороны кристаллического поля U( ), которые превосходят по величине внешние силы со стороны электрических и магнитных полей.

Поэтому для описания динамики электрона под действием внешних полей с использованием законов механики для свободного электрона ввели понятие эффективной массы m*

В эффективную массу m* ”упрятали„ все внутренние силы Электроны в кристалле ускоряются только под действием внешних сил и m* связывает силу и ускорение .

Введем m*:

E закон дисперсиинепрерывная функция в пределах имеющая экстремуму в различных точках .пусть в точке находится экстремум функции E .

Разложим в ряд Тейлора функцию E вблизи малой окрестности

E =E( )+

в точке ,

где: вторая производная по векторному аргументу =тензору второго ранга.

Запишем E в форме аналогичной для свободного электрона: E( )= , где масса свободного электрона E =E( )+ ,

где тензор обратной эффективной массыразмерность.

Обратной массы, т.к. размерность квазиимпульса совпадает с размерностью импульса.

( )материальная константа вещества поэтому главные оси тензора обратной массы совпадают с главными осями (основными) симметрией кристалла.

Запишем тензор ( ) в главных осях, при этом =

= [ ], где главные значения тензора обратной эффективной массы.

Запишем закон дисперсии в главных значениях тензора обратной эффективной массы:

E( )=E( )+ ,где: кинетическая энергия электрона проводимости, имеющая разные массы по направлениям .

Величина 1: = компоненты эффективной массы по направлениям .

Понятие m*неформальное ,т.е m* позволяет описывать динамику электрона в периодическом поле под действием внешних сил, но только для энергий в узком интервале, вблизи экстремумов в зоне.

О знаке m*

В близи минимума энергии в зоне (дно зоны) тензор обратной эффективной массы имеет положительный знак ( ), то эффективная масса электрона положительна ( ), в близи максимума энергии в зоне (потолок зоны) −( ) отрицательный знак, поэтому эффективная масса электрона отрицательна ( ).

Т.о у потолка зоны электрон будет как частица с отрицательной массой, что означает, что он ускоряется против направления действия внешней силы.

Электрон с заменяют квазичастицей с положительным зарядом = и положительной массой равной массе электрона.

Такая частица ускоряется нормально по направлению силы называют дыркой

Анизотропный и изотропный квадратичные законы дисперсии

Введение m* позволяет записать в квадратичной форме законы дисперсии E( ) для кристаллов различной симметрии, но вблизи экстремальных значений энергии, где справедливо понятие m*.

Анизотропный закон дисперсии E( )эффективная массатензор.

Положим , E( ) ,то E( )=

Изотропный закон дисперсиихарактерен для прямозонных п/п , для электронов вблизи точки ( )эффективная масса (скалярная величина).

E( )= (1: ), изотропная величина

Анизотропный закон E( )характерен для электронов в зоне проводимости непрямозонных п/п.

E( )=

Оси x, y, zглавные оси симметрии кристалла и тензора обратной эффективной массы.