Тепловое движение. П ри отсутствии внешних воздействий свободные носители движутся хаотически и средняя скорость теплового движения равна:
При комнатной температуре скорость электрона более 100км/с. При тепловом движении электроны сталкиваются друг с другом и с атомами. Путь, который они в среднем проходят между столкновениями называется средней длиной свободного пробега. Среднее время между столкновениями называется временем свободного пробега.
При хаотическом тепловом движении электрический ток отсутствует.
Дрейфовое движение. Под действием внешнего электрического поля электрон в период времени между столкновениями приобретает некоторую скорость в направлении вектора электрического поля. Столкновения приводят к изменению скорости и энергии электрона, что ограничивает скорость в направлении поля. Направленное движение свободных носителей под действием внешнего электрического поля называется дрейфом.
Скорость дрейфа определяется выражением:
m называется подвижностью. Подвижность зависит от температуры, концентрации примесей и напряженности поля.
Зависимость от температуры и концентрации. Зависимость обусловлена различными механизмами рассеяния электронов. При высоких концентрациях примеси и низких температурах рассеяние происходит в основном за счет кулоновских столкновений с ионами примеси. (Столкновения электронов между собой не приводят к изменению подвижности, а фононов при низкой температуре мало). В этом случае повышение температуры ведет к повышению скорости, и электроны слабее взаимодействуют с ионами т.к. уменьшается время взаимодействия. При более высоких температурах и при малой концентрации примесей взаимодействие происходит с колебаниями решетки – фононами. Число фононов увеличивается с повышением температуры и подвижность падает.
рис. 13. Зависимость подвижности электронов от температуры в кремнии
Зависимость скорости дрейфа от величины внешнего электрического поля. При увеличении скорости электроны начинают возбуждать колебания решетки (акустические фононы). Обмен энергией с решеткой приводит к разогреву электронного газа, что в свою очередь вызывает уменьшение длины свободного пробега и ограничивает нарастание скорости дрейфа при увеличении напряженности поля. Процесс разогрева и ограничения скорости начинается при достижении критической напряженности. При этом скорость дрейфа порядка тепловой скорости электронов. Начинается изменение подвижности.
При дальнейшем увеличении напряженности энергия электрона, приобретаемая на длине свободного пробега, полностью затрачивается на возбуждение колебаний решетки (оптического фонона). Скорость выходит на насыщение, подвижность обратно пропорциональна напряженности поля.
рис. 14. Зависимость скорости дрейфа от напряженности электрического поля в однодолинном и двухдолинном полупроводнике.
В случае двухдолинного полупроводника происходит более сложный процесс.
Рис. 15. Структура энергетических зон двухдолинного полупроводника.