Если с помощью эффекта Холла (см. Введение) определяют знак доминирующих носителей электричества в полупроводниках – причём, эти носители считаются свободными – то на использовании циклотронного резонанса основана главная методика определения масс этих «свободных носителей». Эти массы оказываются отличными от массы электрона, поэтому их называют эффективными.
Циклотронный резонанс и измерения на его основе описаны, например, в [3,10,18]. В постоянном магнитном поле свободная заряженная частица выписывает окружности, ортогональные вектору магнитной индукции – с циклотронной частотой, в выражение для которой входит, как параметр, масса частицы. Считается, что по циклотронным орбитам способны двигаться и свободные носители электричества в полупроводниках. При дополнительном же переменном электрическом поле, создаваемом СВЧ-волной с частотой, равной циклотронной, свободные носители должны увеличивать радиусы своих циклотронных орбит – т.е. должны поглощать СВЧ-энергию. Это считается возможным, если время между столкновениями свободных носителей с атомами много больше циклотронного периода: частица должна «несколько раз описать свою периодическую орбиту, прежде чем столкновение нарушит синфазность её движения с возбуждающим электрическим полем » [10]. Всё это преподносится так, как будто свободные носители движутся в вакууме, а не в твёрдом теле с плотной упаковкой атомов, непроницаемых для медленных электронов. Но пики резонансного поглощения СВЧ действительно обнаруживаются, и рассчитанные на их основе массы «свободных электронов» (а также дырок!) могут сильно отличаться от массы электрона в обе стороны. Причём, этих пиков поглощения бывает больше, чем два, т.е. больше, чем по одному для электронов и дырок. Поэтому теоретикам приходится допускать наличие «лёгких» и «тяжёлых» электронов и дырок [18,10]. Наконец, положения пиков циклотронного резонанса зависят от ориентации вектора магнитной индукции по отношению к кристаллографическим осям полупроводника [18], что вынуждает теоретиков считать эффективные массы свободных носителей не скалярными величинами, а тензорными [3].
Мы вкратце обрисовали этот поток высоконаучной логики, чтобы проиллюстрировать – куда заводят представления, допускающие наличие только свободных носителей электричества в полупроводниках. С экспериментальными значениями электропроводности вполне могут быть согласованы любые, ничтожные или огромные, эффективные массы свободных носителей, если проделать необходимые коррекции других параметров – концентраций, подвижностей, времён жизни основных и неосновных носителей, глубин залегания примесных уровней – которые, в совокупности с эффективными массами носителей, образуют сверхдостаточный набор. Исследователи проделали титаническую работу по измерениям и согласованиям названных параметров, но это не помогает прояснить физику электрических явлений в полупроводниках – поскольку, при допущении одних лишь свободных носителей электричества, здесь, на наш взгляд, не обойтись без абсурда.
В рамках ново физического взгляда на электрические явления рассматривается механизм возникновения и поведение связанных электрических зарядов - зарядовых разбалансов, играющих центральную роль в понимании физики электрических и оптических явлений в полупроводниках и не только.
Правда, подробнее остановится на природе зарядовых разбалансов в рамках этой короткой статьи не представляется возможным. Эта тема касается и природы элементарных частиц (в частности, электрона и протона). И механизма связи элементарных частиц в структуры (в частности, механизма образования атомарной связки протон-электрон). И природы отличия валентного электрона (валентной атомарной связки) от не валентного, имеющего дополнительную степень свободы в виде возможности продуцировать зарядовый разбаланс положительного или отрицательного знака.
Зарядовый разбаланс - это ключевое понятие в физике связанных зарядов.
На этом понятии основана физичная модель химической связи.
На этом понятии основано разумное объяснение свойств диэлектрик ов - ослабления в них "внешнего электрического поля" и, при их электрическом пробое, разрыва химических связей на поверхностях, открывающего дорогу посторонним электронам.
На этом понятии основаны наши представления о распространении радиоволн в среде без свободных зарядов.
Наконец, это понятие играет важную роль в наших представлениях об электропроводности вещества. Электричество в веществе переносится не только свободными заряженными частицами, например, электронами, но и связанными эффективными зарядами, т.е. зарядовыми разбалансами.
Ссылки.
1. Р.В.Поль. Учение об электричестве. «Физматгиз», М., 1962.
2. С.Г.Калашников. Электричество. «Наука», М., 1977.
3. В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников. Физика полупроводников. «Наука», М., 1977.
4. Л.Л.Неменов, М.С.Соминский. Основы физики и техники полупроводников. «Наука», Л., 1974.
7. Хенней. Физические основы теории полупроводников. В сб. «Полупроводники», глава I. «Изд-во иностранной литературы», М., 1962.
8. П.Т.Орешкин. Физика полупроводников и диэлектриков. «Высшая школа», М., 1977.
9. А.Ф.Иоффе. Полупроводники в физике и технике. Наука и техника, 1939, №6 (цит. по [4]).
10. Р.Смит. Полупроводники. «Мир», М., 1982.
11. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1. «Мир», М., 1984.
12. slovari.yandex.ru, слово «дырка».
13. www.edudic.ru/bes/20131/
14. www.slovopedia.com/2/196/224553.html
16. А.И.Шелых, Б.Т.Мелех. Физика твёрдого тела, 45, 2 (2003) 238.
17. В.Ф.Марков и др. Физика и техника полупроводников, 45, 11 (2011) 1459.
18. Гебэлл. Полупроводники IV группы. В сб. «Полупроводники», глава VIII. «Изд-во иностранной литературы», М., 1962.