Циклотронный резонанс и т.н. эффективные массы носителей.
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.
|
|
|
Свободные и связанные носители электричества в полупроводниках.
Мы полагаем, что единственным типом свободных носителей электричества в полупроводниках являются, как и в металлах, электроны – с элементарным отрицательным зарядом и обычной массой электрона; дырок же, как свободных носителей положительного электричества, не существует в природе. Но, помимо свободных электронов, в полупроводниках имеются ещё связанные носители электричества обоих знаков – это зарядовые разбалансы в атомах [5,6].
Что такое – зарядовые разбалансы? Ряд противоречий в атомной физике устраняется при допущении того, что каждый атомарный электрон связан лишь с одним протоном ядра [20]. У валентной атомарной связки «протон-электрон» [6] эффективный электрический заряд может изменяться, хотя мы не допускаем наличия у частиц дробных значений элементарного заряда e. На наш взгляд, частица либо имеет электрический заряд, т.е. квантовые пульсации на электронной частоте [20], либо – не имеет. Но алгоритм, формирующий атомарную связку «протон-электрон», попеременно прерывает квантовые пульсации на электронной частоте у этих протона и электрона – т.е., поочерёдно отправляет их электрические заряды в небытие. Для валентных связок «протон-электрон» допускается уход скважности этих попеременных прерываний в обе стороны от центрального значения 50% - результирующее доминирование во времени заряда протона или электрона мы и называем зарядовым разбалансом [20].
|
|
|
Переменный зарядовый разбаланс, на наш взгляд, имеет место при возбуждённом состоянии валентной связки «протон-электрон» - при этом происходят гармонические колебания эффективного заряда этой связки, с размахом от –e до +e и с частотой, равной частному от деления энергии возбуждения на постоянную Планка [5]. Статический же зарядовый разбаланс, или просто зарядовый разбаланс того или иного знака – это небольшой сдвиг от эквивалентного пребывания в бытии обоих зарядов в валентной связке «протон-электрон». Положительный или отрицательный зарядовый разбаланс может являться откликом на «внешние электрические и магнитные поля» - или, выражаясь корректнее, на разделения зарядов, при которых где-то выше плотность положительных зарядов, а где-то, наоборот, отрицательных, а также на коллективные движения зарядов, т.е. на электрические токи. На разделения зарядов и на электрические токи свободные заряды откликаются своими движениями – нейтрализующими, насколько это возможно, эти разделения зарядов и токи. Валентные же связки «протон-электрон» в аналогичных ситуациях откликаются зарядовыми разбалансами. Именно индуцированием зарядовых разбалансов – в поверхностных слоях диэлектрика – мы объясняем ослабление «внешнего электрического поля» в диэлектрике в e раз [15]. Именно как волны зарядовых разбалансов мы представляем электромагнитные волны в диэлектрической среде без свободных зарядов [5]. Наконец, именно миграциями зарядовых разбалансов по стационарным замкнутым траекториям в веществе мы объясняем феномен намагничиваемости [21].
|
|
|
Миграции зарядовых разбалансов в веществе представляют собой полноценное движение электричества – как и движение заряженных частиц. Но, в отличие от движения заряженных частиц, при миграциях зарядовых разбалансов не происходит переноса вещества, а также отсутствуют потери на джоулево тепло. Есть и ещё одно принципиальное различие между подвижками заряженных частиц и зарядовых разбалансов. Если в образце создана разность концентраций свободных электронов вблизи той и другой противоположных его граней, то такой образец может выдать некоторое количество электронов во внешнюю цепь, подключенную к этим граням – причём, пока в образце некоторый механизм поддерживает названную разность концентраций свободных электронов, такой образец может создавать электродвижущую силу и поддерживать постоянный ток в цепи. Если же разность потенциалов на противоположных гранях образца обусловлена только зарядовыми разбалансами, то выдачи электронов во внешнюю цепь не будет, т.е. не будет и электродвижущей силы. Так, при однократном механическом воздействии на пьезоэлектрический кристалл, он отнюдь не вбрасывает электроны во внешнюю цепь. Разность потенциалов на его противоположных гранях появляется благодаря продуцированию в нём зарядовых разбалансов, а результирующий импульс тока во внешней цепи – это компенсирующая подвижка свободных электронов, т.е. приток их к положительной грани кристалла и отток от отрицательной. Аналогичная картина должна иметь место и при замыкании цепи на сегнетоэлектрический кристалл с противоположными зарядами на его поверхностях – эти заряды, на наш взгляд, тоже обусловлены зарядовыми разбалансами [22]. Что же касается холловской разности потенциалов (см. выше) – то здесь всё несколько сложнее. Если, как мы утверждаем, из свободных носителей в полупроводнике имеются только электроны, то они могут дать только отрицательную холловскую разность потенциалов. Зарядовые же разбалансы могут дать как отрицательную, так и положительную холловскую разность потенциалов. Интересно, что, по стандартной методике холловских измерений, к образцу прикладывается переменное напряжение, т.е. измерения проводятся при переменном токе через образец. При этом могут получаться огромные подвижности носителей заряда – как, например, у Гейма и Новосёлова [23]. Конечно же, такие подвижности могут быть присущи зарядовым разбалансам, но никак не свободным электронам. Это справедливо и для циклотронного резонанса (см.выше) – который, на наш взгляд, физически не может порождаться движением свободных электронов или «дырок» в полупроводнике по «периодическим орбитам». Такие подвижки электричества могут быть обеспечены лишь миграциями зарядовых разбалансов. Будучи локализованы на атомах, зарядовые разбалансы и мигрируют по цепочкам атомов. В постоянном магнитном поле эти миграции должны «накручиваться» на вектор магнитной индукции. А, поскольку кристаллическая решётка принципиально анизотропна, то ясно, что частота резонансного поглощения возбуждающей СВЧ-волны должна зависеть от ориентации вектора магнитной индукции по отношению к кристаллографическим осям. Такое объяснение изменчивости положений пиков циклотронного резонанса, на наш взгляд, гораздо правдоподобнее того, ради которого «тяжёлым» и «лёгким» электронам и дыркам приписывают тензорные эффективные массы (см. выше).
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 267; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!