回旋共振就是当半导体中的
载流子在一定的恒定磁场和高频电场同时作用下会发生抗磁共振的现象。回旋共振被成功地用于研究晶态固体中电子的能带结构。
若半导体置于
磁感应强度为B的均匀恒定磁场中, 半导体中电子的初速度v与B的夹角为θ,则半导体中电子受到磁场作用的为f=-qv×B,大小为f = qvBsinθ= q v⊥B,v⊥= v sinθ,力的方向是垂直于v与B所组成的平面。从而, 电子的运动规律是:在磁场方向以速度 v’ = v cosθ作匀速运动, 在垂直于B的平面内作
匀速圆周运动, 运动轨迹是一条螺旋线。如果圆周的半径是r, 回旋频率是ωc,则 v⊥= r ωc,向心加速度a = v⊥2 / r;又能带电子运动的加速度a = f / mn*;从而对于球面等能面情况有ωc = q B / mn* 。所以, 只要测量出回旋频率ωc, 就可以得到电子的有效质量mn* 。
回旋共振被成功地用于研究晶态固体中电子的能带结构。晶体中电子的运动状态可由其波矢k来表征。所谓能带结构是指电子能量E对波矢k的依赖关系(简称E-k关系)。在理想晶体中,电子的运动和自由电子相似,但电子的质量m0被有效质量m所代替。由回旋共振实验可直接确定有效质量,有效质量和E-k关系之间存在密切联系。在实际晶体中,电子在运动中要经受由各种晶格不完整性所引起的碰撞。
为能产生共振吸收,要求在两次碰撞之间的自由时间τ内,完成一次以上回旋,这要求有较强的磁场和较长的τ值(要求晶体中有尽可能少的杂质和各种晶格缺陷,并要求实验在低温下进行,以减小晶格散射的作用)。在100kG的强磁场下,ωc约为1.7×10(m0/m)。
回旋共振实验首先被成功地应用于半导体Ge和Si,得到了重要的能带结构知识和有关能带参数,在N型Ge和N型Si中的实验表明,可以存在若干个吸收峰,这些吸收峰的位置依赖于磁场的取向,并表明这些材料的导带具有若干等价的能量极值,在这些能量极值附近,有效质量是各向异性的。
附图给出了关于N型Ge的一组实验结果,它与<111>型多谷模型相一致.而在P型Ge和P型Si中的实验则表明存在重空穴带和轻空穴带.对于有些半导体,如InSb,在很强的磁场下,实验可在红外光频范围内进行,称为红外回旋共振。
在金属中,把回旋共振同测量Fermi面的其它实验,如De Haas-varn Alphen效应的研究结合起来,有可能得到关于金属能带结构的相当完全的知识。这种技术曾相当成功地应用于铜的研究。