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有效質量的物理意義,載流子有效質量的物理意義

  • 物理
  • 2024-12-05

有效質量的物理意義?有效質量---載流子在晶體中的表觀質量,它體現了周期場對電子運動的影響。 其物理意義:有效質量的大小仍然是慣性大小的量度;有效質量反映了電子在晶格與外場之間能量和動量的傳遞,因此可正可負。把晶體周期性勢場的作用概括到電子的有效質量中去,使得在引入有效質量之后,那么,有效質量的物理意義?一起來了解一下吧。

有效質量的意義

有效質量很多出現在二體運動中.分析一個電子和一個原子核之間的運動,除去質心的運動,還有環繞質心的運動.這樣相對運動中出現的了一個折合質量m1*m2/(m1+m2),由于原子核的質量比電子質量大很多,這樣算下來,基本上還是等于電子的質量,其他地方還有許多有效質量,看去的模型不同會有不同的意義.以上說的是一個比較常見的有效質量

什么是有效質量

有效質量是用來把晶體電子典化的一個物理量,只有對能帶極值附近的電子才有效-----具有一定的有效質量,而能帶中部的電子,不能作為經典電子,這時有效質量無窮大

有效質量正負的物理意義

簡單些就是說電子的有效質量無限大,可以類比經典的物體,質量大速度小。由于無限大,可以認為電子的速度為零,所以不參與導電。

能帶極值附近的電子速度

有效質量并不代表真正的質量,而是代表能帶中電子受外力時,外力與加速度的一個比例系數(在準經典近似中,晶體電子在外力F*作用下具有加速度a*,所以參照牛頓第二定律定義的m*=F*/a*稱作慣性質量)。

定義:

負的有效質量說明晶格對電子作負功,即電子要供給晶格能量,而且電子供給晶格的能量大于外場對電子作功。 有效質量概括了半導體內部勢場的作用,使得在解決半導體中電子在外力作用下的運動規律時,可以不涉及內部勢場的作用。

概念:將晶體中電子的加速度與外加的作用力聯系起來,并且包含了晶體中的內力作用效果。

公式表示:

Ft=MV′-MV0一般認為作用后的瞬間V′近似零故上述公式可簡化為Ft=-MV0(公式中的負號表示F、V0反向)

IV稱為有效質量.如果移動中不受阻力則所有質點將完全偏聚在表面.由于金屬液體存在粘度于是第二相質點不可避免地受到移動阻力F

補充說明:

(1)因為在一般的載流子輸運問題中,可以把晶體電子(或空穴)看成是具有動量P= ?k(k是晶體電子的準動量)和能量E = P2/ 2m* 的粒子(量子波包),即認為晶體電子是帶有質量m*的自由粒子,m*就是晶體電子的有效質量。這就是所謂準經典近似,即把晶體電子看作為具有一定有效質量的經典粒子(能量與動量的平方成正比)。

有效質量各向異性物理意義

電子的有效質量是物理領域中描述晶體電子運動特性的關鍵概念。它在能帶極值附近有實際意義,而在能帶中部的電子不能被視作經典電子。此概念的引入,是為了簡化電子在晶體中的運動,使其能夠通過經典力學進行描述。

有效質量的來源在于電子與晶體晶格的相互作用。在考慮電子受外場力的同時,也要考慮晶格對電子的作用力。設外場力為[公式],晶格作用力為[公式],則電子受到的加速度為[公式]。然而,具體計算[公式]存在復雜性,因此將這部分作用歸到電子質量中,從而引入有效質量的概念。

當有效質量變得無窮大時,其物理意義在于電子在外場力的作用下,受到晶格的強烈散射,使得電子的加速度為零。具體而言,當電子在外加電場或磁場下向布里淵區邊界移動時,晶格的散射作用變得非常顯著。當外場力足夠大時,可令電子加速度為零。此時,電子的有效質量被視為無窮大。

相反,當有效質量為零或負值時,電子的行為則表現出不同的特性,這同樣值得深入探討。有效質量為零的情況意味著電子在晶格散射作用下失去動力學自由度,其物理意義及影響需進一步研究分析。

以上就是有效質量的物理意義的全部內容,但是,終究有效質量是一個量子概念,所以有效質量不同于慣性質量,它反映了晶體周期性勢場的作用(則可正可負,并可大于或小于慣性質量)。有效質量的大小與電子所處的狀態k有關,也與能帶結構有關(能帶越寬,有效質量越小);并且有效質量只有在能帶極值附近才有意義,在能帶底附近取正值。

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