В физике твёрдого тела, эффективной массой частицы называется динамическая масса, которая появляется при движении частицы в периодическом потенциале кристалла. Можно показать, что электроны и дырки в кристалле реагируют на электрическое поле так, как если бы они свободно двигались в вакууме, но с некой эффективной массой, которую обычно определяют в единицах массы покоя электрона m_e (9.11×10⁻³¹ кг). Она отлична от массы покоя электрона.

Определение

Эффективная масса определяется из аналогии со вторым законом Ньютона . С помощью квантовой механики можно показать, что для электрона во внешнем электрическом поле E:

где  — ускорение,  — постоянная Планка,  — волновой вектор, который определяется из импульса как = ,  — закон дисперсии, который связывает энергию с волновым вектором . В присутствии электрического поля на электрон действует сила , где заряд обозначен q. Отсюда можно получить выражение для эффективной массы :

Для свободной частицы закон дисперсии квадратичен, и таким образом эффективная масса является постоянной и равной массе покоя. В кристалле ситуация более сложна и закон дисперсии отличается от квадратичного. В этом случае только в экстремумах кривой закона дисперсии, там где можно аппроксимировать параболой можно использовать понятие массы.

Эффективная масса зависит от направления в кристалле и является в общем случае тензором.

Те́нзор эффекти́вной ма́ссы — термин физики твёрдого тела, характеризующий сложную природу эффективной массы квазичастицы (электрона, дырки) в твёрдом теле. Тензорная природа эффективной массы иллюстрирует тот факт, что в кристаллической решётке электрон движется не как частица с массой покоя, а как квазичастица, у которой масса зависит от направления движения относительно кристаллографических осей кристалла. Эффективная масса вводится, когда имеется параболический закон дисперсии, иначе масса начинает зависеть от энергии. В связи с этим возможна отрицательная эффективная масса.

По определению эффективную массу находят из закона дисперсии^[1]

где  — волновой вектор,  — символ Кронекера,  — постоянная Планка.

Эффективная масса для некоторых полупроводников

Источники:
S.Z. Sze, Physics of Semiconductor Devices, ISBN 0-471-05661-8.
W.A. Harrison, Electronic Structure and the Properties of Solids, ISBN 0-486-66021-4.
На этом сайте приводится температурная зависимость эффективной массы для кремния.

Экспериментальное определение

Традиционно эффективные массы носителей измерялись методом циклотронного резонанса, в котором измеряется поглощение полупроводника в микроволновом диапазоне спектра в зависимости от магнитного поля. Когда микроволновая частота равняется циклотронной частоте , в спектре наблюдается острый пик. В последние годы эффективные массы более обычно определялись из измерения зонной структуры с использованием методов, наподобие фотоэмиссии с угловым разрешением (ARPES) или более прямым методом: эффект де Гааза-ван Альфена.

Эффективные массы могут также быть оценены, используя коэффициент γ из линейного слагаемого низкотемпературного электронного вклада в теплоёмкость при постоянном объёме . Теплоёмкость зависит от эффективной массы через плотность состояний на уровне Ферми.

Важность

Как показывает таблица, полупроводниковые соединения A^IIIB^V, такие как GaAs и InSb, имеют намного меньшие эффективные массы, чем полупроводники из четвёртой группы периодической системы — кремний и германий. В самой простой теории электронного транспорта Друде дрейфовая скорость носителей обратно пропорциональна эффективной массе: , где и  — заряд электрона. Быстродействие интегральных микросхем зависит от скорости носителей, и, таким образом, малая эффективная масса — одна из причин того, что GaAs и другие полупроводники группы A^IIIB^V используются вместо кремния в приложениях, где требуется широкая полоса пропускания.

Ссылки

• NSM archive
• Pastori Parravicini, G. Electronic States and Optical Transitions in Solids. — Pergamon Press, 1975. — ISBN ISBN 0-08-016846-9 Книга содержит исчерпывающее, но доступное обсуждение темы с обширным сравнением между теорией и экспериментом.

Примечания