热运动和漂移运动
载流子在没有受到任何驱动(即无浓度梯度,也无电场)时,它就进行着无规的热运动。热运动的特点:
①没有方向性;
②不断遭受散射;
③具有一定的热运动能量和热运动速度(vth),在温度T时即满足:(1/2)m*vth2=(3/2)kT,其中m*是载流子有效质量。在室温下,vth≈107cm/s。
在有外电场作用时即发生漂移运动。漂移运动的特点:
①沿着电场的方向运动——定向运动;
②漂移运动是叠加在热运动基础之上的一种定向运动,因此漂移运动的速度——漂移速度必然小于热运动速度;
③在漂移过程中将 不断遭受散射(否则漂移速度将变成
漂移速度和迁移率
若电场强度为E,则由动量平衡关系可以给出平均漂移速度vd为:vd = qtE/m*.
可见,漂移速度与电场成正比,其比例系数就是载流子的所谓迁移率μ:μ= vd/E= qt/m*.
这就是说,载流子迁移率就是单位电场作用下、所产生的平均漂移速度,单位是[cm2/V-s]。迁移率即表征着载流子在电场作用下加速运动的快慢。
漂移速度与电场的关系
在低电场下,迁移率m为常数,则漂移速度与电场成正比(vd∝E),即欧姆定律成立;但是在强电场下,由于载流子获得很大的动能(大于热能kT),成为了热载流子,就可能把能量转移到晶格上去,即可以产生出光学波声子,而载流子本身的速度就不再升高——达到饱和,即为饱和速度vdsat。注意,饱和速度vdsat接近(但小于)热运动速度;在室温下,即约为107cm/s。
漂移速度-电场关系可以采用许多经验公式来表示,例如:vd=μE/[1 (μE/vdsat)].
可见,在低电场下,漂移速度与电场成正比(vd=μE);而在强电场时,因为漂移速度不再与电场成正比,所以载流子的迁移率概念即失去了意义,这时应该采用恒定的漂移速度(vd=μE)来表征漂移运动。
当电场较强、使得电子获得较高能量时,即可以从有效质量小的低能谷跃迁到有效质量大的高能谷上面去,并导致漂移速度下降,即产生负电阻。这种转移电子效应所产生的负电阻是Gunn二极管工作的物理基础。