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.