Ruchliwość - Polski Serwis Naukowy

Ruchliwość nośników - w fizyce oraz chemii, wielkość wyrażająca związek między prędkością dryfu elektronów, jonów lub innych nośników ładunku, i zewnętrznym polem elektrycznym. Ruchliwością nazywa się czasem również sam proces ruchu skierowanego (dryfowania) nośników ładunku pod wpływem pola elektrycznego.

Jon – atom lub grupa atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki związków chemicznych posiadają równą liczbę elektronów i protonów, jony zaś są elektrycznie naładowane dodatnio lub ujemnie.

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

W przypadku ciał stałych ruchliwość elektronów oraz dziur (ruchliwość nośników ładunku) zależy od temperatury.

Definicja i jednostka

Ruchliwość definiowana jest jako prędkość dryfu nadawana przez jednostkowe pole elektryczne: $\mu = v_d / E$

gdzie μ jest ruchliwością.

Najczęściej wyraża się ją w m/V s.

Pole elektryczne – stan przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna.

Pulsacja (częstość kołowa) - wielkość określająca, jak szybko powtarza się zjawisko okresowe. Pulsacja jest powiązana z częstotliwością (f) i okresem (T) poprzez następującą zależność:

Relacja Einsteina

Wzór Einsteina wyraża związek między ruchliwością, a współczynnikiem dyfuzji: $\frac D \mu = \frac {kT} q$

gdzie: D - współczynnik dyfuzji, T - temperatura nośników ładunku, k - stała Boltzmanna, q - ładunek elektryczny

Ruchliwość elektronów w gazie

W zmiennym polu elektrycznym skierowana prędkość elektronów nie musi zgadzać się w fazie z natężeniem pola. Tym samym przewodność elektryczna jest wielkością zespoloną. W słabo zjonizowanym gazie ruchliwość opisuje związek Langevina: $\mu = (\frac {eE} {m})(i \omega + v)$

gdzie: m - masa elektronu, ω - częstość kołowa pola elektrycznego, v - częstotliwość zderzeń elektronów z cząsteczkami

Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) – fundamentalna własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przez siłę Lorentza i jest jednym z oddziaływań podstawowych.

Metr to jednostka podstawowa długości w układach: SI, MKS, MKSA, MTS, oznaczenie m. Metr został określony 26 marca 1791 roku we Francji, ze względu na potrzebę korzystania z dziesiętnego systemu miar[potrzebne źródło]. W myśl definicji zatwierdzonej przez XVII Generalną Konferencję Miar i Wag w 1983 jest to odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s.

W stałym polu elektrycznym ruchliwość wynosi: $\mu = \frac {a_1 e E \lambda} {m v}$

gdzie λ - średnia droga swobodna elektronu, v - średnia prędkość ruchu cieplnego elektronów, a1 - współczynnik liczbowy rzędu 0,5-1

Elektrony posiadają znacznie mniejszą masę niż cząsteczki, dlatego podczas zderzeń sprężystych z nimi tracą bardzo małą część energii kinetycznej. W wyniku tego nawet w słabych polach ich energia średnia przewyższa energię cząsteczek obojętnych i rośnie w miarę wzrostu natężenia pola. Przy założeniu, że zderzenia mają charakter sprężysty, otrzymano wzór Dawydowa:

Sekunda (łac. secunda – następna, najbliższa) – jednostka czasu, jednostka podstawowa większości układów jednostek miar np. SI, MKS, CGS – oznaczana s (bez kropki na końcu).

Nośnik ładunku - w teorii transportu obiekt przenoszący ładunek elektryczny podczas przepływu prądu. Rodzaj nosnika ładunku zależy od budowy materiału, w którym dochodzi do transportu ładunku. Dla metali są to zwykle elektrony, dla półprzewodników mogą być to zarówno elektrony, jak i dziury, zaś dla roztworów są to jony. W bardziej skomplikowanych sytuacjach nośniki ładunku mogą być jeszcze bardziej wyszukane: dla materiałów w stanie nadprzewodzącym nośnikami ładunku są tzw. pary Coopera, z wielkim bogactwem nośników można zetknąć się w teorii ciała stałego.

$\mu = 0,75 e \lambda (m k T)^{- \frac 1 2} \{1+ [1 + \frac 1 3 (\frac {e E \lambda} {kT}) \frac M m ]^{\frac 1 2}\}^{\frac 1 3}$

gdzie: M - masa cząsteczki, T - temperatura gazu

Ruchliwość jonów w gazie

W teorii Langevina atomy i jony są traktowane jako kule sztywne, odpychające się przy bezpośrednim zbliżeniu, a poza tym przyciągają się wzajemnie siłami polaryzacyjnymi. Wzór Langevina:

$\mu = g \frac {\sqrt{1 + \frac {M} {M_j} }} {\sqrt {\rho (\epsilon -1) }}$

Chemia (. Współcześnie wiadomo, że przemiany substancji wynikają z praw, według których atomy łączą się poprzez wiązania chemiczne w mniej lub bardziej trwałe związki chemiczne, a także praw według których wiązania pękają i tworzą się ponownie prowadząc do przemian jednych związków w drugie co jest nazywane reakcjami chemicznymi. Chemia zajmuje się także rozmaitymi własnościami substancji wynikającymi bezpośrednio z ich budowy atomowej.

Prędkość dryfu (nazywana także prędkością unoszenia) to średnia prędkość jaką uzyskuje cząstka (elektron, dziura, jon, itp.) w materiale pod wpływem pola elektrycznego. Używanie tego pojęcia w odniesieniu do cząstek w próżni nie ma sensu, gdyż są one przyspieszane do prędkości bliskich prędkości światła. W przypadku zaś ośrodków materialnych (ciało stałe, ciecz, gaz, itp.) ruch przyspieszanej cząstki jest spowalniany przez oddziaływania z siecią krystaliczną (w ciele stałym) lub inne cząstki (w cieczy, gazie). W układzie będącym w stanie równowagi prędkości cząstek podlegają pewnemu rozkładowi. Nawet gdy nie jesteśmy go w stanie poznać, możemy posługiwać się mierzalną wielkością makroskopową: średnią prędkością cząstki, czyli właśnie prędkością dryfu.

gdzie: ε - przenikalność dielektryczna gazu, Mj - masa jonu, M - masa atomu, ρ - gęstość gazu, g - parametr wyrażający względny udział w mechanizmie ruchliwości zderzeń bezpośrednich w stosunku do sił polaryzacji

Jeśli w gazie są tylko jony powstałe w wyniku jonizacji cząsteczek tego samego gazu, to ich ruchliwość związana jest przede wszystkim z procesem wymiany ładunku jonów.

Ruchliwość nośników w półprzewodniku

Ruchliwość nośników zależy od koncentracji domieszek. W półprzewodnikach do wartości koncentracji domieszek rzędu 10 cm ruchliwość nośników jest praktycznie stała, a powyżej tej wartości zaczyna maleć.

Wolt – jednostka potencjału elektrycznego, napięcia elektrycznego i siły elektromotorycznej, używana w układach jednostek miar SI, MKS i MKSA, oznaczana V.

Fizyka (z gr. φύσις physis - "natura") – nauka o przyrodzie w najszerszym znaczeniu tego słowa. Fizycy badają właściwości i przemiany materii i energii oraz oddziaływanie między nimi. Do opisu zjawisk fizycznych używają wielkości fizycznych, wyrażonych za pomocą pojęć matematycznych, takich jak liczba, wektor, tensor. Tworząc hipotezy i teorie fizyki, budują relacje pomiędzy wielkościami fizycznymi.

Ruchliwość zależy także od temperatury. W zakresie temperatur dominuje rozpraszanie nośników na atomach sieci (ruchliwość sieciowa). W takim przypadku ruchliwość maleje przy wzroście temperatury zgodnie z zależnością: $\mu = B T^{-\kappa}$

gdzie: B - jest stałą niezależną od temperatury.

Zobacz też

łańcuch kinematyczny.

Bibliografia

Encyklopedia fizyki; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1974.
Witold Jerzy. Stepowicz: Elementy półprzewodnikowe i układy scalone. Gdańsk: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 1993. ISBN 83-86537-14-0.