-->
|
|
|
Ãëàâà 3. Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ § 3.3. Ïî÷åìó ñïðàâåäëèâ çàêîí Îìà? (îêîí÷àíèå)×åì îïðåäåëÿåòñÿ âðåìÿ ðåëàêñàöèè?Êðîìå óíèâåðñàëüíûõ ïîñòîÿííûõ (çàðÿäà å è ìàññû m íîñèòåëåé òîêà), óäåëüíàÿ ïðîâîäèìîñòü γ, êàê âèäíî èç âûðàæåíèÿ (3.3.7), çàâèñèò îò êîíöåíòðàöèè ÷àñòèö n è âðåìåíè ðåëàêñàöèè τ. Ñìûñë n î÷åâèäåí. Ãëàâíàÿ ïðîáëåìà â âûÿñíåíèè ïðèðîäû âðåìåíè ðåëàêñàöèè è â åãî âû÷èñëåíèè. Ïðîñòûå îöåíêè äàþò àíîìàëüíî áîëüøîå âðåìÿ ðåëàêñàöèè. Ïðè èçâåñòíûõ çíà÷åíèÿõ γ è n ýòî âðåìÿ, ñîãëàñíî ôîðìóëå (3.3.7), èìååò ïîðÿäîê 3 • 10-14 ñ. Çà òàêîå âðåìÿ ýëåêòðîí ïðîõîäèò ðàññòîÿíèå 3 • 10-7 ñì, ò. å. îêîëî äåñÿòè ïåðèîäîâ ðåøåòêè. Èìåííî ïîýòîìó ïðîâîäèìîñòü ìåòàëëîâ âåëèêà. Äàííûé ôàêò ïðåäñòàâëÿåòñÿ âåñüìà ñòðàííûì. Âåäü â ìåòàëëå èîíû â ðåøåòêå ðàñïîëîæåíû áëèçêî äðóã ê äðóãó. Êàê æå ýëåêòðîí ýòîãî «íå çàìå÷àåò»? Îáúÿñíåíèå îêàçûâàåòñÿ âîçìîæíûì òîëüêî íà îñíîâå êâàíòîâîé ìåõàíèêè. Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ïîçâîëÿåò ðàññ÷èòàòü çíà÷åíèå τ è òåì ñàìûì óäåëüíóþ ïðîâîäèìîñòü γ è âûÿñíèòü õàðàêòåð åå çàâèñèìîñòè îò òåìïåðàòóðû. Ãðàíèöû ïðèìåíèìîñòè çàêîíà ÎìàËèíåéíàÿ çàâèñèìîñòü ïëîòíîñòè òîêà j îò íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, ò. å. çàêîí Îìà, íàðóøàåòñÿ â òîì ñëó÷àå, êîãäà âðåìÿ ðåëàêñàöèè τ èëè êîíöåíòðàöèÿ ñâîáîäíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà n íà÷èíàåò çàâèñåòü îò Å. Òîãäà Íåëèíåéíàÿ çàâèñèìîñòü ñèëû òîêà îò íàïðÿæåíèÿ ÷ðåçâû÷àéíî âàæíà äëÿ ìíîãèõ óñòðîéñòâ. Áåç íåå íåâîçìîæíà ñîâðåìåííàÿ ðàäèîòåõíèêà è ýëåêòðîíèêà. Íàïðèìåð, òàêèå ñóùåñòâåííûå äëÿ ðàäèîñâÿçè ïðîöåññû, êàê ìîäóëÿöèÿ è äåòåêòèðîâàíèå, íå ìîãóò áûòü îñóùåñòâëåíû öåïÿìè ñ ëèíåéíîé çàâèñèìîñòüþ ñèëû òîêà îò íàïðÿæåíèÿ. Âðåìÿ ðåëàêñàöèè èìååò ïîðÿäîê âðåìåíè ñâîáîäíîãî ïðîáåãà çàðÿæåííûõ ÷àñòèö. Ýòî âðåìÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñêîðîñòüþ äâèæåíèÿ ÷àñòèö è ðàññòîÿíèåì, íà êîòîðîì ÷àñòèöà ïðèîáðåòàåò ñêîðîñòü óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ υ. Âðåìÿ ðåëàêñàöèè íå áóäåò çàâèñåòü îò íàïðÿæåííîñòè Å, åñëè ñêîðîñòü óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ, ïðèîáðåòàåìàÿ ïîä äåéñòâèåì ïîëÿ, ìíîãî ìåíüøå ñêîðîñòè òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ. Òîãäà ïðè îïðåäåëåíèè τ ìîæíî ïðåíåáðå÷ü ñêîðîñòüþ óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñî ñêîðîñòüþ òåïëîâîãî äâèæåíèÿ. Ñîãëàñíî ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêîé òåîðèè ñêîðîñòü òåïëîâîãî äâèæåíèÿ υò îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíîé
ãäå k = 1,38 • 10-23 Äæ/Ê — ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà, à Ò — àáñîëþòíàÿ òåìïåðàòóðà. Äëÿ ýëåêòðîíà ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå (Ò ≈ 300 Ê) ýòà ñêîðîñòü èìååò ïîðÿäîê 105 ì/ñ. Ïîä âëèÿíèåì ïîñòîÿííîé ñèëû F = åÅ ýëåêòðîí ïðèîáðåòàåò ñêîðîñòü óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ Äëÿ ìåòàëëè÷åñêèõ ïðîâîäíèêîâ, êàê ìû óæå îòìå÷àëè, τ = 3 • 10-14 ñ. Îòñþäà ïðè υò ≈ 105 ì/ñ ïîëó÷èì: Å = 2 • 107 Â/ì. Íà ñàìîì äåëå íàïðÿæåííîñòü ïîëÿ äîëæíà áûòü íà ïîðÿäîê áîëüøå. Äåëî â òîì, ÷òî êëàññè÷åñêàÿ ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ íå äàåò ïðàâèëüíîé îöåíêè ñêîðîñòè òåïëîâîãî äâèæåíèÿ. Êâàíòîâàÿ îöåíêà ïðèâîäèò ê çíà÷åíèþ υò ≈ 106 ì/ñ è, ñîîòâåòñòâåííî, Å ≈ 108 Â/ì. Ñîçäàòü òàêóþ íàïðÿæåííîñòü ïîëÿ â ìåòàëëå íåëüçÿ. Ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìàÿ ïëîòíîñòü òîêà â ìåäè, ïðè êîòîðîé íå ïðîèñõîäèò ðàçðóøåíèÿ ïðîâîäíèêà, j ≈ 107 À/ì2. Ïðè ýòîì Åñëè æå íàïðÿæåííîñòü ïîëÿ áóäåò ïîðÿäêà 108 Â/ì, òî ïðîâîäíèê ïðîñòî èñïàðèòñÿ. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî çàêîí Îìà äëÿ ìåòàëëè÷åñêèõ ïðîâîäíèêîâ âûïîëíÿåòñÿ ïðè ëþáûõ íàïðÿæåíèÿõ. Çàêîí Îìà â ìåòàëëè÷åñêèõ ïðîâîäíèêàõ âûïîëíÿåòñÿ ïðè âñåõ çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåííîñòè åùå è ïîòîìó, ÷òî êîíöåíòðàöèÿ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ â ìåòàëëàõ íå çàâèñèò íè îò ìîäóëÿ âåêòîðà íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ, íè îò åãî íàïðàâëåíèÿ. Îòñòóïëåíèÿ îò çàêîíà Îìà ìîãóò èìåòü ìåñòî ïðè ïðîõîæäåíèè òîêà ÷åðåç ðàñòâîðû è ðàñïëàâû ýëåêòðîëèòîâ. Çàêîí Îìà íå âûïîëíÿåòñÿ ïðè ïðîõîæäåíèè òîêà ÷åðåç èîíèçîâàííûé ãàç, â âàêóóìå, à òàêæå ïðè íàëè÷èè â öåïè êîíòàêòîâ ïîëóïðîâîäíèêîâ ñ ìåòàëëàìè è ðàçëè÷íûõ òèïîâ ïîëóïðîâîäíèêîâ äðóã ñ äðóãîì. Çäåñü ñèëà òîêà, â ÷àñòíîñòè, çàâèñèò îò íàïðàâëåíèÿ íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ.
|
|
|