漂移速度
一个粒子因为电场的关系而移动的平均速度
漂移速度(Drift Velocity),是指一个粒子(例如电子)因为电场的关系而移动的平均速度。
定义
漂移速度是由于电场而导致的材料中诸如电子的粒子的平均速度。它也可以称为轴向漂移速度。通常,电子将以费米速度随机地在导体中传播。施加的电场将使该随机运动在一个方向上具有小的净流速。
半导体中,两个主载流子散射机制是电离杂质散射和晶格散射。
因为电流与漂移速度成比例,电阻材料中的电流又与外部电场的大小成比例,欧姆定律可以用漂移速度来解释。
欧姆定律的最基本表达方式是:
其中u是漂移速度,μ是材料的电子迁移率(单位为m2 /(V⋅s)),E为电场(单位V / m)。
实验测量
用于评估恒定横截面积材料中载流子漂移速度的公式由下式给出:
其中u是电子的漂移速度,j是流过材料的电流密度,n是电荷载流子数密度,q是电荷载流子上的电荷。
在正圆柱载流金属欧姆导体的基本性质上,电荷载体是电子,这个表达式可以重写为:
这里,u是电子的漂移速度,以m⋅s-1为单位;
m是金属的分子质量,单位为kg;
σ是介质在所考虑的温度下的电导率,单位为S / m;
ΔV是施加在导体上的电压;
ρ是导体的密度(单位体积质量),单位为kg·m-3;
e是C中的基本电荷;
f是每个原子的自由电子数;
l是导体的长度,单位为m。
数值举例
电通常用铜线进行。铜的密度为8.94g / cm3,原子重量为63.546g / mol,因此为140685.5mol / m3。一摩尔的任何元素有6.02×1023个原子(阿伏伽德罗常数)。 因此,在1m3的铜中,约有8.5×1028个原子(6.02×1023×140685.5mol / m3)。 铜每原子具有一个自由电子,所以n等于每立方米8.5×1028个电子。
假设电流I = 1安培,直径为2mm(半径= 0.001米)的电线。 该导线的截面积为3.14×10-6m2(A =π×(0.001m)2)。 一个电子的电荷为q = -1.6×10-19C。因此可以计算漂移速度:
单位分析:
因此,在该线中,电子以23μm/s的速率流动。 在60Hz交流电流下,这意味着在半个周期内,电子漂移小于0.2μm。 换句话说,流过开关中的接触点的电子将永远不会离开开关。
相比之下,这些电子的费米流速(在室温下可以被认为是没有电流的近似速度)约为1570公里/秒。
漂移运动
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)。连续两次散射之间的行走距离称为平均自由程,相应的行走时间称为平均自由时间(t)。
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。
参考资料
Microscopic View of Ohm's Law.hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
最新修订时间:2023-02-15 09:22
目录
概述
定义
实验测量
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