background image

 

Fizyka Ciała Stałego II 

opracowanie zagadnień 

 

1. Ciepło właściwe wg Debye’a
 
Ciepło właściwe, powtórka: 
Gaz doskonały, jednoatomowy: 

ciepło właściwe przy stałej objętości 

R

c

V

2

3

=

 

ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu 

R

c

p

2

5

=

 

- wyniki, które chcemy wyprowadzić. 

Dla 1 mola gazu: 

R

T

pV

=

 

Rozważmy gaz w sześciennym pudle o krawędzi  . Możemy rozpatrywać oddzielnie każdą cząstkę. 
Jeśli prędkość danej cząstki w jednym kierunku, np. w kierunku  , wynosi 

y

v

, to  

czas między kolejnymi uderzeniami o ściankę: 

y

v

l

t

2

=

Zmiana pędu w jednorazowym akcie zderzenia: 

y

mv

p

2

=

 

Siła: 

dt

p

d

dt

v

d

m

a

m

F

=

=

=

, stąd siła działająca na ścianki: 

l

mv

v

l

mv

t

p

F

y

y

y

2

2

2

=

=

=

 

Ciśnienie, jakie wywiera jedna cząsteczka na ścianki naczynia: 

V

mv

l

mv

l

F

p

y

y

2

3

2

2

=

=

=

 

Gdy weźmiemy dużo cząstek: 

ś

rednia prędkość: 

2

2

2

2

z

y

x

ś

r

v

v

v

v

+

+

=

  

z

y

x

v

v

v

=

=

  → 

2

2

2

2

3

1

ś

r

z

y

x

v

v

v

v

=

=

=

 

Ciśnienie całkowite jednego mola: 

V

mv

N

p

A

cał

3

2

=

       

2

3

1

mv

N

V

p

A

cał

=

 

1

2

2

k

E

mv

=

 - energia kinetyczna 1 cząsteczki 

U

E

E

N

V

p

cał

k

k

A

cał

3

2

3

2

3

2

,

1

=

=

=

 

Ze wzoru   

R

T

pV

=

  →    

RT

pV

=

 

RT

U

=

3

2

 

 

RT

U

2

3

=

 

Ciepło właściwe to ilość energii, jaką musimy dostarczyć, aby ogrzać ciało o 1°C: 

R

T

U

V

2

3

=

 

A co będzie, jeśli zmienimy objętość, np. przesuwając tłok o powierzchni   o  x

Praca wykonana podczas przesuwania tłoka: 

V

p

x

S

p

x

F

W

=

=

=

 

p

RT

V

=

 

p

RT

V

1

1

=

 

p

RT

V

2

2

=

 

 

(

)

T

R

T

T

p

R

p

V

p

W

=

=

=

1

2

 

Stąd dodatkowa praca wykonana kosztem dostarczonego ciepła na rozprężenie gazu:  

R

T

W

=

 

R

R

R

T

U

p

2

5

2

3

=

+

=

 

Ciepło właściwe dla ciał stałych (prawo Doulonge’a – Petitte’a) : 

R

T

U

V

3

=

 

background image

 
Zależność ciepła właściwego od temperatury jest jak 

3

. Próbował to wyjaśnić najpierw Einstein, który 

założył, że drgania sieci są skwantowane. Jego teoria dobrze sprawdzała się w pewnym zakresie 
temperatur, jednak uwzględniała tylko drgania optyczne, podczas gdy w niskich temperaturach 
dominują drgania akustyczne. 
W pełni wyjaśnił tą zależność Debye, który założył liniową zależność częstości od wektora falowego. 
Rozważmy wielkość zależną od temperatury. Temperatura wynika z drgań fononów o częstości 

ω

  

od 0 do 

max

ω

ω

ω

ω

ω

ω

d

Z

f

A

T

A

=

)

(

)

(

)

(

)

(

 

 

         |                       | 

prawdopodobieństwo         gęstość 
obsadzenia stanu 
o danej częstości 

N

d

Z

3

)

(

max

0

=

ω

ω

ω

     - ilość drgań zależnych od wektora falowego dla fononów 

Oznaczenie wektora falowego: elektrony - 

k

, fonony -   

π

π

8

1

)

2

(

1

)

(

3

=

=

q

Z

  - podobnie jak dla elektronów, tylko 2 razy mniej, bo bez spinów (dla 

1

=

V

Fala stojąca w ciele stałym jest skwantowana 
(mamy skończoną ilość możliwych długości fali) 
– długość fali jest ograniczona od góry przez 
rozmiary kryształu, a od dołu przez odległość 
między atomami. 
 

ω

ω

π

d

Z

dq

q

q

Z

dN

=

=

)

(

4

)

(

1

2

1

 

 
(dla jednej gałęzi drgań) 
 

ω

π

ω

π

π

ω

d

dq

q

d

dq

q

Z

2

2

3

2

1

2

8

4

)

(

=

=

 

 
Debye założył, że częstość jest zależna liniowo od 
wektora falowego, a współczynnikiem 
proporcjonalności jest prędkość dźwięku. 

 

q

u

=

ω

  → 

u

d

dq

1

=

ω

2

2

2

u

q

ω

=

,    stąd:    

3

2

2

1

2

)

(

u

Z

π

ω

ω

=

 

Powyższy wynik dotyczy jednej gałęzi. A więc całkowita gęstość: 

3

2

2

1

2

3

)

(

3

)

(

u

Z

Z

π

ω

ω

ω

=

=

 

N

d

Z

3

)

(

max

0

=

ω

ω

ω

     →   

A

N

u

d

u

3

2

2

3

3

2

3

max

0

3

2

2

max

=

=

π

ω

ω

π

ω

ω

 -  wstawiamy tu liczbę Avogadro 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

(liczymy ciepło molowe) 

A

N

u

3

2

3

max

6

π

ω

=

  → 

u

N

A

=

3

2

max

6

π

ω

 

=

max

0

3

2

2

2

3

1

1

)

(

)

(

ω

ω

ω

π

ω

ω

d

u

e

A

T

A

kT

h

 

 

 

 

 

 

statystyka Bosego-Einsteina (fonony są bozonami) 

 

background image

 

Bierzemy zmienną do całkowania: 

kT

ω

h

 

=

kT

d

kT

e

A

kT

u

T

A

kT

kT

ω

ω

ω

π

ω

ω

h

h

h

h

h

0

2

3

3

2

1

1

)

(

2

3

)

(

 

Debye zauważył, że 

k

ω

h

 ma wymiar temperatury (bo 

kT

ω

h

 jest bezwymiarowe) 

stąd: 

Θ

=

k

max

ω

h

 - tzw. temperatura Debye’a 

max

ω

 zależy od prędkości dźwięku: 

u

N

A

=

3

2

max

6

π

ω

 

z kolei 

m

u

α

~

,  gdzie 

α

 - stała sprężystości 

A

N

u

2

3

max

3

6

π

ω

=

  - wstawiamy to do wyrażenia przed całką: 

3

3

max

3

3

max

2

2

9

9

2

6

3

Θ

=





=

T

N

kT

N

kT

N

A

A

A

h

h

ω

ω

π

π

,  a stąd: 

x

d

e

x

A

T

N

T

A

T

x

A

Θ

Θ

=

0

2

3

1

)

(

9

)

(

ω

   - jest to wzór odnoszący się do wszystkich materiałów 

 
Możemy policzyć średnią energię: 
energia 1 fononu: 

ω

ω

h

=

)

(

A

 

ś

rednia energia: 

x

d

e

x

A

T

N

U

T

A

T

x

A

Θ

Θ

=

=

0

2

3

1

)

(

9

)

(

ω

ω

h

 

zauważamy, że:  

kTx

kT

kT

=

=

ω

ω

h

h

 

x

d

e

x

T

kN

U

T

x

A

Θ

Θ

=

0

3

3

4

1

9

R

kN

A

=

 

Ostatecznie:    

x

d

e

x

T

R

U

T

x

Θ

Θ

=

0

3

3

4

1

9

 

Rozwiązanie analityczne: 
1° wysokie temperatury: 

Θ

>>

T

,   

1

<<

x

,   

1

max

<<

x

,    

x

x

e

x

=

+

1

1

1

 

RT

T

T

R

x

d

x

T

R

U

T

3

9

9

3

3

3

4

0

2

3

4

=

Θ

Θ

=

Θ

=

Θ

,  

R

T

U

c

V

3

=

=

 

2° niskie temperatury: 

Θ

<<

T

    →    

Θ

T

const

x

d

e

x

x

=

=

15

chyba

1

2

0

3

π

 

Θ

4

5

RT

U

3

T

T

U

c

V

=

 - pojawia się zależność, którą wcześniej otrzymano 

Dla elektronów w metalach: 

T

c

V

~

background image

 
 
2. Równanie kinetyczne Boltzmanna i czas relaksacji
 
Rozwiązując równanie Schrödingera, Boltzmann uwzględnił oddziaływania z defektami. Stworzył 
klasyczne równanie transportu. 

Rozład równowagowy z poziomem Fermiego: 

1

1

)

(

0

=

kT

E

E

F

e

E

f

 

Modyfikujemy funkcję rozkładu: 

)

(

)

(

)

(

1

0

E

f

E

f

E

f

+

=

,  gdzie 

)

(

)

(

1

0

E

f

E

f

>>

 

Zakłada się, że ta nowa funkcja będzie stacjonarna. 
Energia w zależności od wektora falowego: 

(

)

*

2

2

2

2

*

2

2

2

2

m

k

k

k

m

k

E

z

y

x

+

+

=

=

h

h

 

Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektr. zmienia się rozkład – następuje przesunięcie kuli Fermiego. 
Zmiana funkcji rozkładu w czasie: 

zd

dryf

dt

df

dt

df

dt

df

+

=

 

 

  | 

 

człon dryfowy         człon zderzeniowy 
 
Aby opisać klasycznie cząstkę, trzeba podać jej położenia i prędkości:  

z

y

x

k

k

k

z

y

x

,

,

,

,

,

 - współrzędne 

w 6-wymiarowej przestrzeni fazowej. Dryf odbywa się w przestrzeni fazowej. Możemy z niej wydzielić 
jedną komórkę i rozważyć przepływ cząstek. Po czasie  t

 do komórki wpłyną cząstki, które były przed 

nią, stąd przed wyrażeniem 

t

v

 stawiamy minus: 

(

)

z

y

x

z

z

y

y

x

x

z

y

x

k

k

k

z

y

x

f

t

k

k

t

k

k

t

k

k

t

v

z

t

v

y

t

v

x

f

f

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

=

 

 

wartość funkcji w czasie 

t

t

+

 

 
Obliczamy pochodną z definicji: 

dryf

k

r

t

dt

df

f

k

f

r

dt

dx

x

f

t

f

dt

df

=

=

+

=

=

....

lim

0

 

To był człon dryfowy, teraz człon zderzeniowy: 

(

) (

)

'

'

k

k

b

k

k

a

dt

df

zd

=

gdzie 

b

a,

 - całki zderzeniowe 

 

 

 

 

zderzenia, które       przejścia 

 

ze stanów 

'

k

           w odwrotnym 

 

przeprowadzają        kierunku 

 

do stanów 

k

 

 

Stąd:   

b

a

dt

df

dt

df

dryf

+

=

 

Boltzmann założył, że zmiany są wolne w czasie – ustala się stan stacjonarny: człon dryfowy zrównuje 
się ze zderzeniowym i pochodna się zeruje. 
 
Stąd równanie Boltzmanna ma postać: 

b

a

f

k

f

r

k

r

+

=

0

 

 
 
 

background image

 
Przybliżenie czasu relaksacji: 

 

 

( ) ( ) ( )

( )

(

)

=

SB

k

d

k

f

k

f

k

k

k

w

a

'

'

1

'

'

,

'

3

ρ

 

 

      | 

 

     | 

 

prawdopodobień-      gęstość     stan            stan 
stwo przejścia            stanów     zajęty        wolny 
ze stanu 

'

k

 do 

k

 

 

Podobnie:  

( ) ( ) ( )

( )

(

)

=

SB

k

d

k

f

k

f

k

k

k

w

b

3

1

'

,

ρ

 

Całka 

a

 zwiększa obsadzenie stanu 

k

, z kolei całka   zmniejsza. SB – strefa Brillouina. 

W mechanice kwantowej prawdopodobieństwo przejścia w jedną stronę jest równe 
prawdopodobieństwu przejścia w drugą stronę: 

(

) ( )

'

ˆ

ˆ

'

2

~

'

,

,

'

k

H

k

k

H

k

k

k

w

k

k

w

zb

zb

h

π

=

 

Stąd:   

( ) ( ) ( ) ( )

(

)

=

SB

k

d

k

f

k

f

k

k

k

w

b

a

'

'

'

,

'

3

ρ

 

( ) ( ) ( )

k

f

k

f

k

f

1

0

+

=

 

 

 

        ↑ wpływ sił zewnętrznych 

 
Przybliżenie:  
 

( ) ( ) (

)

'

,

'

,

k

k

k

k

k

w

Θ

=

δ

ϑ

,  

gdzie 

ϑ

 - kąt między osią a tworzącą stożka 

 
Zakładamy, że prawdopodobieństwo nie zależy 
od energii (przy pojedyńczym procesie przejścia 
energia zmienia się tak nieznacznie, że możemy 
tą zmianę zaniedbać). 
 

*

2

2

2m

k

E

h

=

 

(

) (

) ( ) ( )

(

)

∫ ∫

Θ

=

π

π

ϑ

ϑ

δ

ϑ

ϕ

π

0

0

2

2

0

3

sin

'

'

'

,

'

4

1

k

k

d

d

k

k

f

k

f

k

k

k

d

b

a

 

(

) ( ) ( )

(

)

Θ

=

π

ϑ

ϑ

ϑ

π

0

2

2

sin

'

'

,

'

2

1

d

k

k

f

k

f

k

b

a

 

Rozbijamy funkcję w szereg Maclaurina i bierzemy pierwszy wyraz: 

( )

)

(

1

E

V

k

f

χ

=

 

(

)

( ) ( )

(

)

Θ

=

π

ϑ

ϑ

ϑ

χ

π

0

2

2

sin

'

,

)

(

2

1

d

k

k

V

k

V

k

E

b

a

 

( ) ( ) ( )

(

)

1

cos

'

=

ϑ

k

V

k

V

k

V

 

- zostają tylko rzuty na kierunek 

k

 (po wycałkowaniu znikną prędkości 

prostopadłe) 

( )

(

)(

)

Θ

=

π

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

π

χ

0

2

2

sin

cos

1

,

2

)

(

d

k

k

E

k

V

b

a

 

 

 

( )

k

f

1

 

 

background image

 
Możemy powyższe równanie zapisać w postaci:  

( )

τ

k

f

b

a

1

=

,  gdzie  

(

)(

)

Θ

=

π

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

π

τ

0

2

2

sin

cos

1

,

2

1

1

d

k

k

 

τ

 jest czasem relaksacji. 

Rówanie Boltzmanna przyjmuje postać: 

( )

0

1

=

τ

k

f

f

k

f

r

k

r

,  gdzie 

1

0

f

f

f

+

=

 

Gdy wyłączamy pole zewnętrzne, pozostaje nam tylko człon zderzeniowy: 

τ

1

f

dt

df

=

 

  → 

τ

1

1

f

dt

df

=

    → 

τ

dt

f

df

=

1

1

    → 

τ

t

e

f

t

f

=

0

1

1

)

(

 

Czas relaksacji zależy od energii (liczonej od dna pasma):    

2

1

)

(

=

p

E

A

E

τ

 

- fonony akustyczne: 

0

=

p

 

- fonony optyczne: 

1

=

p

 

- domieszki neutralne: 

2

1

=

p

 

- domieszki zjonizowane: 

2

=

p

 

Ś

rednia droga swobodna między zderzeniami: 

v

l

τ

=

2

1

E

v

 → 

p

AE

l

=

 

Widać, że dla fononów akustycznych średnia droga między zderzeniami nie zależy od energii. 

Ruchliwość: 

ε

µ

v

=

, gdzie 

v

 - prędkość unoszenia, 

ε

 - pole elektryczne 

Istnieją materiały, które w temperaturach ciekłego helu mają 

V

cm

10

3

7

=

µ

.  W metalach 

µ

 jest rzędu 

V

cm

10

3

1

 - to dlatego, że metale są substancjami polikrystalicznymi – występuje rozpraszanie na 

granicach krystalitów. Z kolei półprzewodniki można wytworzyć w postaci dużych monokryształów. 
 
W pomiarach bardzo często uzyskuje się czas relaksacji rzędu 

7

10

, co oznacza, że między zderzeniami 

elektron pokonuje tysiące stałych sieciowych. Wynika to z niepoprawności klasycznego opisu kryształu. 
 
 
3. 

Prawo Ohma

 
Klasyczne prawo Ohma: stosunek napięcia do natężenia prądu jest stały i równy oporowi elektrycznemu 

I

U

R

=

 

gęstość prądu: 

S

I

j

=

=

ε

σ

 

l

U

=

ε

      → 

S

I

l

U

=

σ

 

R

I

U

S

l

=

=

σ

1

       →      

S

l

R

ρ

=

,   gdzie 

σ

ρ

1

=

 - opór właściwy 

 
Prawo Ohma półkwantowo:  

wychodzimy od 

( )

0

1

=

τ

k

f

f

k

f

r

k

r

 

Zakładamy, że nie ma gradientu przestrzennego: 

0

=

r

0

=

f

r

r

 

 
 

background image

 

h

h

h

F

k

k

=

=

1

 

0

1

=

+

τ

f

f

F

k

h

 

E

E

f

E

E

f

E

E

f

f

k

k

k

k

+

=

=

1

0

 

robimy pierwsze przybliżenie: 

0

1

=

E

E

f

k

 

V

E

f

E

E

f

E

E

f

f

k

k

k

=

=

=

0

0

0

1

h

h

h

 

Wstawiamy to do 

0

1

=

+

τ

f

f

F

k

h

0

1

0

=

+

τ

f

V

E

f

F

 

ε

q

F

=

 (siła elektrostatyczna) 

0

1

0

=

+

τ

ε

f

V

E

f

q

 

Podobnie jak poprzednio: 

( )

)

(

1

E

V

k

f

χ

=

 

0

)

(

0

=



+

V

E

E

f

q

τ

χ

ε

 

Stąd: 

ε

τ

χ

=

E

f

q

E

0

)

(

 

ε

τ

V

E

f

q

f

=

0

1

 - znaleźliśmy funkcję określającą odchylenie od położenia równowagi 

Funkcja ta zależy od czasu relaksacji. 
 
Gęstość prądu: suma po wszystkich nośnikach: 

(

)

=

+

=

=

=

=

SB

SB

N

i

k

d

f

f

V

q

k

d

k

f

k

q

V

q

V

q

j

3

1

0

3

3

1

4

1

)

(

)

(

π

 

+

=

SB

SB

k

d

f

V

q

k

d

f

V

q

3

1

3

3

0

3

4

1

4

1

π

π

 

0

4

1

3

0

3

=

SB

k

d

f

V

q

π

   

(równowaga termodynamiczna – prąd nie płynie) 

Pozostaje tylko całka 

SB

k

d

f

V

q

3

1

3

4

1

π

, do której 

wstawiamy 

ε

τ

V

E

f

q

f

=

0

1

=

SB

k

d

V

E

f

q

j

3

2

0

3

2

4

ε

τ

π

 

 
Przyjmujemy kierunek pola elektrycznego   i rzutujemy 
wektor prędkości na dwa kierunki – równoległy i 
prostopadły. 

background image

 

(

)

∫ ∫∫

+

=

π π

ϑ

ϕ

ϑ

ϑ

ε

τ

π

2

0 0 0

3

2

0

||

3

2

sin

cos

4

k

d

d

d

k

v

E

f

v

v

e

j

 

v

 - zmiana prędkości niezależna od pola (równe prawdopodobieństwo skierowania się w obie strony, 

stąd całka = 0) 

||

v

 - zmiana prędkości wymuszona polem, 

ϑ

cos

||

v

v

=

 

∫∫

=

π

ϑ

ϑ

ϑ

τ

π

ε

0 0

3

2

2

2

0

2

2

sin

cos

2

k

d

d

k

v

E

f

e

j

 

3

2

sin

cos

0

2

=

π

ϑ

ϑ

ϑ

d

 

(podstawienie:  

dx

d

x

=

=

ϑ

ϑ

ϑ

sin

cos

,...) 

=

0

3

2

2

0

2

2

3

k

d

k

v

E

f

e

j

τ

π

ε

 

k

v

m

h

=

*

  →   

*

m

k

v

h

=

( )

dk

k

m

dk

k

v

4

2

*

2

2

2

h

=

 

Chcemy całkować po 

dE

*

2

2

2m

k

E

h

=

      → 

*

2

m

k

dk

dE

h

=

     →       

dE

k

m

dk

2

*

h

=

 

( )

( )

dE

m

k

dE

k

m

k

m

dk

k

m

*

3

2

*

4

2

*

2

4

2

*

2

=

=

h

h

h

 

=

0

3

0

*

2

2

3

dE

k

E

f

m

e

j

τ

ε

π

 

Niech 

=

0

3

0

2

)

(

3

1

dE

k

E

f

E

X

X

π

  będzie średnią statystyczną z pewną wagą 

Podstawiamy 1: 

=

+

=

+

=

=

+∞

0

2

2

0

0

2

0

2

0

2

3

0

0

3

0

2

0

3

3

1

3

3

1

1

dk

k

f

dE

dE

dk

k

f

k

f

dE

k

E

f

π

π

π

π

 

n

k

d

k

f

dk

k

f

=

=

=

0

3

0

0

3

2

0

)

(

4

4

ρ

π

π

  -  liczba wszystkich nośników 

 

 

 

|       | 

    prawdopodobieństwo    gęstość 
obsadzenia (z poziomem 
   Fermiego) 

dE

E

k

E

f

E

)

(

)

(

3

1

0

3

0

2

=

τ

π

τ

   (wstawiając 

1

=

τ

 otrzymamy liczbę nośników) 

Stąd: 

ε

τ

*

2

m

e

j

=

 

Jednocześnie 

ε

σ

=

j

 

A więc przewodność właściwa:  

*

2

m

e

τ

σ

=

 

Na podstawie pomiarów można wyciągnąć wnioski co do zmian czasu relaksacji. 
 
 

background image

 
 
4. Efekt Holla
 
Na poruszający się ładunek w polu 
magnetycznym działa siła Lorenza: 

B

V

q

F

×

=

 

Nośniki ładunku, zarówno dodatnie, jak 
i ujemne, są odchylane w tą samą stronę 
(bo wędrują w przeciwnych kierunkach). 
Na podstawie ładunku, jaki zgromadzi 
się na boku płytki można 
wywnioskować, jakie cząstki przewodzą 
prąd. 

siła pola magnetycznego: 

evB

F

B

±

=

 

siła pola elektrycznego, powstającego w wyniku efektu Holla:  

H

e

F

H

ε

ε

=

 

Korzystamy ze wzoru 

nev

j

=

, gdzie 

u

v

v

 - prędkość unoszenia 

neS

I

ne

j

v

=

=

gdzie  

ad

S

=

 

Stąd: 

neda

IB

neS

IB

H

=

=

ε

 

Napięcie hollowskie: 

d

U

H

H

ε

=

   

 

neda

IB

d

U

H

=

    →     

nea

IB

U

H

=

 

(często pisze się:  

IB

nea

U

H

1

±

=

 - znak zależy od ładunku nośników) 

Okazuje się, że w pewnych strukturach zachodzi tzw. kwantowy 
efekt Holla (QHE). 
 
Później dostrzeżono również ułamkowy kwantowy efekt Holla 
(FQHE) – kwantowanie pojawiało się w niskich temperaturach 
dla trzykrotnie wyższych B: 
 
 
 
 
 

0

=

dt

df

 

     

0

1

=

+

τ

f

f

F

k

h

 

1

0

f

f

f

+

=

       

1

0

f

f

f

k

k

k

+

=

 

 
Jeżeli weźmiemy tylko pole elektryczne, 

możemy dla tego przypadku pominąć 

1

f

k

E

E

f

f

f

k

k

k

=

0

0

       

/

h

ε

q

 

=

0

f

q

f

q

k

k

h

h

ε

ε

 

ε

ε

q

E

f

V

E

E

f

q

k

=

=

0

0

h

 

 

background image

 

0

)

(

0

=

+

τ

χ

ε

V

E

V

E

f

q

,  gdzie 

ε

τ

χ

=

E

f

q

E

0

)

(

 

Wprowadzamy siłę: 

(

)

B

V

q

F

×

+

=

ε

 

Korzystając z 

0

f

f

k

k

 dostaniemy: 

(

)

B

V

V

E

f

q

f

×

+

=

ε

τ

0

1

 

Z definicji 

,

B

V

V

×

 stąd 

0

=

×

B

V

V

, co oznacza, że nie możemy sobie pozwolić na to przybliżenie 

i musimy uwzględnić całość: 

1

0

f

f

f

k

k

k

+

=

 

Jest to skomplikowane i w ogólnym przypadku nie da się tego rozwiązać. Stosujemy inne przybliżenie: 

)

(

)

(

0

E

S

E

χ

χ

=

, gdzie  - tensor, 

ε

τ

χ

=

E

f

q

E

0

0

)

(

    

Pole magnetyczne zmienia funkcję 

)

(E

χ

 w tensor:  

ε

τ

χ

=

E

f

S

q

E

0

)

(

 

Również przewodnictwo będzie tensorem:  

*

2

m

S

e

τ

σ

=

 

dE

k

E

f

m

k

=

0

3

0

2

3

1

τ

π

τ

,    stąd:  

dE

k

E

f

S

S

m

k

=

0

3

0

2

3

1

τ

π

τ

 

Dokładna postać tensora nie jest znana, wiemy tylko co nieco o pewnych wyróżnionych kierunkach, np. 

(

)

0

,

0

,

x

x

ε

ε

ε

=

=

;  

(

)

z

z

B

B

B

,

0

,

0

=

=

 

Wówczas po skomplikowanych wyprowadzeniach: 

+

+

+

+

=

1

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

2

2

2

2

S

S

S

S

S

S

S

;    

τ

ω

C

S

=

,   gdzie   

Τ

=

=

π

ω

2

*

m

eB

C

 - częstość ruchu po okręgu elektronów 

Przechodzimy do współrzędnych tensora: 

ij

σ

σ

 

2

*

2

22

11

S

m

e

+

=

=

τ

σ

σ

;  

2

*

2

21

12

S

S

m

e

+

=

=

τ

σ

σ

τ

σ

*

2

33

m

e

=

 

Pozostałe: 

0

=

ij

σ

 

Gęstość prądu: 

j

ij

i

j

ε

σ

=

 

y

x

x

j

ε

σ

ε

σ

12

11

+

=

 

0

22

21

=

+

=

y

x

y

j

ε

σ

ε

σ

 - w kierunku   prąd nie płynie 

Stąd: 

y

y

y

x

ε

σ

σ

ε

σ

σ

ε

σ

σ

ε

12

11

12

22

21

22

=

=

=

 

y

y

y

x

j

ε

σ

σ

σ

ε

σ

ε

σ

σ

12

2

12

2

11

12

12

2

11

+

=

+

=

 

2

*

2

22

11

1

S

m

e

+

=

=

τ

σ

σ

;  

2

*

2

21

12

1

S

S

m

e

+

=

=

τ

σ

σ

;  

τ

π

τ

τ

ω

Τ

=

=

=

2

*

m

eB

S

C

 

τ

 - czas rozpraszania (krótki, rzędu 

10

10

~

s) 

Im wyższe pole tym większa 

C

ω

 i tym krótszy okres T. W słabych polach T

τ

>>

 i wówczas 

1

<<

S

 - 

możemy je pominąć i wtedy 

τ

σ

*

2

11

m

e

 

background image

 

Podobnie:  

( )

2

2

*

3

*

2

12

τ

τ

σ

m

B

e

S

m

e

=

 

( )

( )

2

2

2

2

*

3

2

2

*

4

12

2

11

12

2

12

2

11

τ

τ

τ

τ

σ

σ

σ

σ

σ

B

e

m

B

e

m

e

=

=

+

 

Stąd: 

y

x

B

e

j

ε

τ

τ

2

2

=

 

 

B

j

e

x

y

2

2

τ

τ

ε

=

 

Napięcie hollowskie: 

y

y

H

d

U

U

ε

=

=

d

U

H

y

=

ε

ad

I

j

x

x

=

 - wstawiamy to do wzoru: 

B

I

ade

d

U

x

H

1

2

2

τ

τ

=

,  

ostatecznie: 

B

I

ae

U

x

H

1

2

2

τ

τ

=

 

Stosujemy przejście: 

1

1

1

2

2

2

2

=

τ

τ

τ

τ

,  pamiętając, że 

n

=

1

 to koncentracja nośników 

Stąd: 

B

I

nae

U

x

H

1

1

2

2

τ

τ

=

,  

gdzie wyrażenie 

r

=

2

2

1

τ

τ

 to tzw. współczynnik hollowski 

Przewodnictwo typu n i p: 

(

)

2

2

p

e

p

n

c

µ

µ

σ

+

=

,  gdzie 

τ

µ

~

*

m

e

=

 - ruchliwość 

Mierząc napięcie hollowskie nie możemy od razu obliczyć koncentracji nośników, bo jest zafałszowana 
przez czynnik hollowski, który na ogół  1

. Dodatkowo, gdy przewodzą nośniki dwojakiego rodzaju, 

należy uwzględnić powyższy wzór. Wówczas współczynnik hollowski może zmianiać znak ze względu 
na różną ruchliwość elektronów i dziur (dziury mają większą bezwładność). 
 
 
5. 

Poziomy Landaua

 

Metoda masy efektywnej: 

( )

( )

r

E

r

m

ψ

ψ

=

2

*

2

h

r

k

i

e

=

ψ

 

Bez potencjału elektron w krysztale porusza się jak elektron swobodny z masą efektywną. W masie 

efektywnej zawarta jest informacja o funkcji 

( )

r

u

k

Landau zapisał równanie Schrödingera w postaci: 

( )

( )

r

E

r

m

p

ψ

ψ

=

*

2

2

ˆ

,    gdzie  





+

+

=

=

z

y

x

i

i

p

h

h

ˆ





+

+

=

=

2

2

2

2

2

2

2

ˆ

ˆ

ˆ

z

y

x

p

p

p

h

 

Mechanika klasyczna wprowadza pęd uogólniony: 

 

 

A

c

e

p

+

,   gdzie 

- potencjał wektorowy dla pola elektromagnetycznego 

Potencjał wektorowy jest tylko zabiegiem matematycznym, nie istnieje jako wielkość fizyczna. 

Wstawiamy pęd uogólniony do 

( )

( )

r

E

r

m

p

ψ

ψ

=

*

2

2

ˆ

 

Pole magnetyczne traktujemy jako rotację potencjału wektorowego: 

A

B

rot

=

 

(

)

0

,

0

,

yB

A

=

 

(

)

B

B

,

0

,

0

=

  (skalowanie landauowskie) 

 
 

background image

 

( )

( )

r

E

r

A

c

e

p

m

ψ

ψ

=

+

2

*

ˆ

ˆ

2

1

 

( )

( )

r

E

r

z

y

By

c

e

x

i

m

ψ

ψ

=



2

2

2

2

2

2

2

*

2

1

h

h

h

 

Rozwiązanie: 

( ) ( )

z

ik

x

ik

z

x

e

r

r

+

=

ϕ

ψ

 

Rozpisujemy i wstawiamy: 

( )

( )

z

ik

x

ik

z

ik

x

ik

z

x

z

x

e

r

E

e

r

z

y

y

B

c

e

x

By

c

e

i

x

m

+

+

=

+

+

ϕ

ϕ

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

*

2

2

1

h

h

h

h

 

( )

( )

y

E

y

m

k

y

y

B

c

m

e

By

cm

e

k

m

k

z

x

x

ϕ

ϕ

=

+

+

*

2

2

2

2

2

2

2

2

*

2

*

*

2

2

2

2

2

h

h

h

h

 

Częstość cyklotronowa: 

w układzie SI: 

*

m

eB

C

=

ω

w układzie jednostek Gaussa: 

c

m

eB

C

*

=

ω

 

( )

( )

r

E

r

m

x

m

ψ

ψ

ω

=





+

2

2

2

*

2

1

2

1

 - równanie Schrödingera dla oscylatora harmonicznego 

Energia drgań jest skwantowana: 

+

=

2

1

n

E

ω

h

 

Wyłączamy przed nawias: 

2

*

2

2

2

2

*

2

2

*

2

*

2

2

2

1

c

m

B

e

c

m

B

e

m

m

C

=

=

ω

 

( )

( )

y

m

k

E

y

m

k

B

e

c

m

By

cm

e

k

B

e

c

m

y

c

m

B

e

y

m

z

x

x

ϕ

ϕ





=





+

+

*

2

2

*

2

2

2

2

*

*

2

2

2

*

2

2

*

2

2

2

2

*

2

2

2

2

2

2

2

h

h

h

h

 

( )

( )

y

m

k

E

y

eB

c

k

y

eB

c

k

y

m

y

m

z

x

x

C

ϕ

ϕ

ω





=





+

+

*

2

2

2

2

2

*

2

2

*

2

2

2

2

1

2

h

h

h

h

 

Podstawiamy: 

eB

c

k

y

x

h

=

η

;   

y

=

η

 

Ostatecznie: 

( )

( )

η

ϕ

η

ϕ

η

ω

η





=

+

*

2

2

2

2

*

2

2

*

2

2

2

1

2

m

k

E

m

m

z

C

h

h

 

Interpretacja: 

elektron swobodny miał energię: 

(

)

*

2

2

2

2

2m

k

k

k

E

z

y

x

+

+

=

h

 

Gdy wprowadzamy pole magnetyczne, energia ulega 
skwantowaniu w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku tego 
pola. 

+

+

2

1

2

2

n

k

k

y

x

ω

h

 

*

2

2

2

2

1

m

k

n

E

z

C

h

h

+

+

=

ω

 

 
W kierunku równoległym do kierunku pola nie ma 
kwantowania. 
 
 

background image

 
 
 
 
 
Efekty kwantowe w polu magnetycznym: 
 
Metodą epitaksji uzyskuje się bardzo cienkie 
warstwy półprzewodnika o zadanym składzie, np: 
Ga

1-x

Al

x

As | GaAs | Ga

1-x

Al

x

As | GaAs ... 

W ten sposób otrzymuje się studnię kwantową. 
Przerwa energetyczna pomiędzy Ga

1-x

Al

x

As a 

GaAs rozkłada się równo między pasmo 
przewodnictwa a pasmo walencyjne. 
Możemy ten układ potraktować jako 
nieskończoną studnię potencjału o szerokości    
i rozwiązać równanie Schrödingera dla jednego 
kierunku: 

)

(

)

(

2

2

2

2

x

E

x

dx

d

m

ψ

ψ

=

h

 

m

k

E

2

2

2

h

=

 

Z warunków brzegowych: 

π

n

kL

kL

=

=

0

sin

L

n

k

n

π

=

;  

2

2

2

2

2

n

mL

E

n

π

h

=

 

W studni potencjału elektron zachowuje się jak fala stojąca. Jego energia jest skwantowana. W realnym 
przypadku mamy studnię w paśmie przewodnictwa i paśmie walencyjnym, ale tylko w kierunku wzrostu 

kryształu ( ). Energia elektronu w rzeczywistej studni: 

(

)

*

2

2

2

2m

k

k

E

E

y

x

n

+

+

=

h

 

Wprowadzając domieszkę (domieszkowanie modulacyjne) uzyskujemy dodatkowy elektron, który 

wpada do studni i uzyskuje ogromną ruchliwość 

V

cm

10

7

µ

.  Niestety utrzymuje się ona tylko w 

niskich temperaturach (w wysokich fonony utrudniają ruch). 
Zamiast tego dostajemy półprzewodnik o ściśle określonej liczbie nośników prądu. 
 
Gdy wprowadzimy układ w pole magnetyczne, kwantowanie pojawi się również na kierunkach 

x

 i  

A więc energia elektronu zostanie całkowicie 
skwantowana: 

+

+

=

2

1

)

,

(

B

C

n

B

z

n

E

n

n

E

z

ω

h

;  

 

gęstość stanów: 

h

eB

B

=

ρ

  

- rośnie wraz z polem magnetycznym 

Poziomy są dosyć oddalone: 

*

m

eB

C

=

ω

, i na każdym 

poziomie, jeśli   jest duże, pojawia się dużo stanów. 
W wysokich   wszystkie elektrony siedzą na 
najniższym poziomie Landaua. Gdy zmniejszamy pole, 
część elektronów będzie mogła wskoczyć na wyższe 
poziomy. Stąd kwantowy efekt Holla. Warto zauważyć, 
ż

e jest on w zasadzie kwantowaniem oporu elektr. 

 
 
 
 
 
 
 

background image

 
 
6. Zespolony współczynnik załamania / zespolone przewodnictwo, częstość plazmowa
 
Pole elektromagnetyczne należy traktować jako szybko zmienne pole elektryczne. 
W polu wolnozmiennym dryf i zderzenia się równoważą: 

const

f

f

f

=

+

=

1

0

;  

0

1

=

=

+

=

τ

f

dt

df

dt

df

dt

df

dt

df

dryf

zd

dryf

 

 → 

τ

1

f

dt

df

dryf

=

 

W polu szybkozmiennym jest zupełnie inaczej: 

Weźmy równanie fali EM, np. 

(

)

r

k

t

i

e

t

±

=

ω

ε

ε

0

)

(

, wówczas: 

t

i

e

f

f

ω

0

1

1

=

 

0

1

=

τ

f

dt

df

dt

df

dryf

dt

df

f

dt

df

dryf

+

=

τ

1

 

dt

df

dt

df

dt

df

1

0

+

=

const

f

=

0

0

0

=

dt

df

   → 

1

0

1

1

f

i

e

f

i

dt

df

dt

df

t

i

ω

ω

ω

=

=

=

 

+

=

ω

τ

i

f

dt

df

dryf

1

1

 

Dla pola wolnozmiennego wyprowadziliśmy: 

*

2

m

e

τ

σ

=

 

W polu EM zamiast 

τ

 mamy 

ωτ

τ

ω

τ

i

i

+

=

+

1

1

1

 

2

1

2

2

*

2

2

2

*

2

*

2

1

1

1

*

σ

σ

τ

ω

τ

ω

τ

ω

τ

ωτ

τ

σ

i

m

e

i

m

e

i

m

e

+

=

+

+

=

+

=

  - zespolone przewodnictwo 

__________________________ 
 
równania Maxwella: 

- prawo Faraday’a: 

t

B

E

c

=

rot

 

- prawo Gaussa: 

ρ

=

D

div

 

- prawo, które mówi, że nie ma monopoli magnetycznych: 

0

div

=

B

 

- prawo Ampera:  

j

t

D

H

c

π

4

rot

=

 

 

 

 

 

      | 

       | 

 

 

      prąd przesunięcia      normalny prąd 

_____________________________ 
 
Korzystając z czwartego równania Maxwella możemy dokonać interpretacji wyniku: 

ε

πα

ε

ε

4

+

=

+

=

p

D

 

(układ jednostek Gaussa) 

 

 

   | 

pole elektr. 

 

polaryzowalność 

 

H

B

µ

=

;   

ε

σ

=

j

 

Podstawiamy to do 

j

t

D

H

c

π

4

rot

=

ε

πσ

ε

πα

ε

4

4

rot

+

+

=

t

t

H

c

;  

t

i

e

ω

ε

ε

0

=

 

Stąd: 

(

)

ωα

σ

π

ε

i

t

H

c

+

+

=

4

rot

 

gdzie 

2

2

*

2

1

*

τ

ω

τ

σ

+

=

m

e

 - to co mierzymy eksperymentalnie jako przewodnictwo 

background image

2

2

2

*

2

1

τ

ω

τ

α

+

=

m

e

 - część urojona, opisuje nam polaryzowalność ośrodka 

Jeśli 

12

10

~

τ

s, a 

50

~

ω

Hz, możemy przyjąć, że 

τ

σ

*

2

m

e

, jednak dla fal EM (już od 

podczerwieni) musimy uwzględnić 

1

1

2

2

+

τ

ω

 
Wyprowadzenie równania falowego: 

H

B

µ

=

1

=

µ

     →    

H

B

=

 





+

=

j

t

D

t

H

c

t

π

4

rot

ε

πα

ε

4

+

=

D

 

t

t

t

c

+

+

=

ε

πσ

ε

πα

ε

ε

4

4

rot

rot

2

2

2

2

2

 

t

t

t

c

+

+

=

ε

πσ

ε

πα

ε

ε

4

4

2

2

2

2

2

2

 - równanie falowe Maxwella 

Rozwiązując to równanie całkiem klasycznie odkrywamy, że pole elektromagnetyczne może być falą 
(przypomina falę mechaniczną). 

Najprostsza fala: 

(

)

r

k

t

i

e

=

ω

ε

ε

0

Τ

=

π

ω

2

λ

π

2

=

k

 

(

)





=

ω

ω

ω

r

k

t

i

r

k

t

i

V

k

1

=

Τ

=

λ

ω

, gdzie 

n

c

V

=

 - prędkość fali w ośrodku 

n

- współczynnik załamania;  

u

N

n

=

,   - wektor jednostkowy 

=





c

r

u

N

t

i

r

k

t

i

ω

ω

ω

   

=

c

r

u

N

t

i

e

ω

ε

ε

0

 

1) w próżni: 

0

=

α

0

=

σ

2

2

2

2

2

ω

ω

=

c

c

N

;      

1

2

=

N

  

1

=

N

1

=

n

 

2) w ośrodkach nieprzewodzących (dielektrykach, np. szkłach): 

0

α

0

=

σ

2

2

2

2

2

2

4

παω

ω

ω

=

c

c

N

;  

πα

4

1

2

+

=

N

0

4

1

ε

πα

=

+

=

N

 - stała dielektryczna 

3) w ośrodkach przewodzących: 

0

α

0

σ

ω

πσ

παω

ω

ω

i

c

c

N

4

4

2

2

2

2

2

2

+

=

σ

ω

π

πα

i

N

4

4

1

2

+

=

 

ik

n

N

=

*

 - zespolony współczynnik załamania ( - tzw. współczynnik ekstynkcji) 

( )

nik

k

n

N

2

*

2

2

2

=

 

Ostatecznie mamy więc: 

0

2

2

ε

=

k

n

 

 

ω

πσ

4

2

=

nk

 

Natężenie promieniowania jest proporcjonalne do kwadratu natężenia pola EM: 

2

~

ε

I

 

Przechodzimy na jedną współrzędną: 

z

r

 

( )

=

z

c

ik

n

t

i

e

z

ω

ε

ε

2

2

0

2

( )

z

c

k

z

c

n

t

i

e

e

z

ω

ω

ε

ε

2

2

2

0

2

=

 

Stąd znane prawo:  

z

e

I

I

η

=

0

,  

gdzie 

η

- współczynnik absorbcji 

c

k

ω

η

2

=

  

Τ

=

π

ω

2

 

 

λ

π

η

k

4

=

 

Część urojona współczynnika załamania światła jest odpowiedzialna za pochłanianie energii wiązki 
ś

wiatła, czyli za absorpcję. 

background image

 

Jeśli 

1

k

 i weźmiemy 

6

10

=

λ

m ( = 1µm, światło widzialne: 0,4–0,8µm), to 

η

 będzie rzędu 

6

10

m

1

 

W ciałach stałych przy przejściach prostych 

k

 rzeczywiście jest rzędu 

n

. Widzimy, że 

σ

~

k

 - stąd w 

materiałach przewodzących mamy bardzo silne pochłanianie. 
Przy dużych częstościach (

ω

) wartość 

nk

 dąży do 0. Są dwie możliwości: 

I. 

0

k

, wówczas 

0

2

2

2

ε

=

n

k

n

;   

0

ε

=

n

 

II. 

0

n

, wtedy 

0

2

ε

=

k

;   

0

ε

=

k

 - to oznacza, że stała dielektryczna musi być ujemna 

Czy taki przypadek jest możliwy? 

Mamy: 

πα

ε

4

1

0

2

2

+

=

=

k

n

 

Jeśli uwzględnimy polaryzowalność sieciową, za 1 musimy wstawić 

S

ε

πα

ε

4

2

2

+

=

S

k

n

ω

πσ

2

=

nk

 

Wstawiamy: 

2

2

*

2

1

*

τ

ω

τ

σ

+

=

m

e

2

2

2

*

2

1

τ

ω

τ

α

+

=

m

e

2

2

2

*

2

2

2

1

4

τ

ω

τ

π

ε

+

=

m

e

k

n

S

 

2

2

*

2

1

2

τ

ω

ω

τ

π

+

=

m

e

nk

 

k

 może być dużo większe niż 

n

 - stała dielektryczna może być ujemna. Elektrony przeciwdziałają 

przyłożonej zmianie pola (reguła samoindukcji Lenza). 
Przyjmijmy, że mamy 

e

 nośników, np. elektronów w metalu: 

2

2

2

*

2

2

2

2

*

2

2

2

1

4

1

4

τ

ω

τ

π

ε

τ

ω

τ

π

ε

+

=

+

=

e

S

S

N

m

e

m

e

k

n

 

2

2

*

2

2

2

*

2

1

2

1

2

τ

ω

ω

τ

π

τ

ω

ω

τ

π

+

=

+

=

e

N

m

e

m

e

nk

 

ponieważ 

S

p

m

e

ε

π

ω

*

2

2

4

=

, otrzymujemy: 



+

=

2

2

2

2

2

2

1

1

τ

ω

τ

ω

ε

p

S

k

n





+

=

2

2

2

1

2

τ

ω

ω

τ

ω

ε

p

S

nk

gdzie 

p

ω

 - częstość plazmowa 

Wzory te są dobre, jeśli ciało stałe może być opisane statystyką Boltzmanna. 

τ

 - czas relaksacji, rzędu 

12

10

s (jest to czas pomiędzy zderzeniami elektronów z siecią) 

γ

τ

=

1

 - współczynnik tłumienia (opór stawiany elektronom podczas ich wędrówki przez sieć) 

Częstość plazmowa: w metalach o 

3

23

cm

1

10

e

N

 jest rzędu 

s

1

10

16

, a więc 

γ

ω

>>

p

Gdy 

γ

ω

ω

>>

>>

p

 (np. dla światła widzialnego 

s

1

10

14

ω

), rozważajac oddziaływanie 

promieniowania z nośnikami ładunku możemy uprościć wcześniejsze wyrażenia: 





+

=

2

2

2

2

2

2

2

1

1

ω

ω

ε

ω

γ

ω

ε

p

S

p

S

k

n

3

2

2

2

2

2

ω

γ

ω

ε

ω

γ

γ

ω

ω

ε

p

S

p

S

nk

+





=

 

Wynika z tego tzw. metaliczne odbicie. 
 

background image

 

Wzory Frenera na współczynnik odbicia: 

(

)

(

)

2

2

2

2

1

1

k

n

k

n

R

+

+

+

=

,  

gdzie:  

k

 - współczynnik ekstynkcji;   

n

 - zwykły współczynnik odbicia 

Jeśli 

0

2

nk

, to albo 

0

k

0

n

. Widzimy, że to 

0

n

, bo 

ω

ω

>>

p

, stąd 

0

2

2

<<

k

n

A zatem 

2

2

2

ω

ω

ε

p

S

k

=

,  i dostajemy 

1

=

R

 (

%

100

=

R

) – odbicie metaliczne (czysty metal odbija 100% 

ś

wiatła widzialnego).  

Częstość plazmowa to częstość promieniowania, przy 
której wszystkie nośniki ładunku drgają w takt pola fali 
elektromagnetycznej. W pobliżu częstości plazmowej 
metal nie odbija już 100% . Dla aluminium 
odpowiadająca tej częstości długość fali wynosi 

200

=

p

λ

nm. Z kolei półprzewodniki odbijają 100% 

w obszarze bardzo dalekiej podczerwieni, natomiast 
słabo odbijają światło widzialne. Można to zmienić 
poprzez domieszkowanie, jednak to nie zmienia faktu, 
ż

e GaAs może odbić maksymalnie 30% światła 

widzialnego. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

opracował: Radek Kołkowski