Физика полупроводников Теория электрических цепей Основы теории электромагнитного поля

Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел

Электроны в кристаллах

Электропроводность металлов

Квантовомеханический расчет показывает, что в случае идеальной кристаллической решетки электроны проводимости не испытывали бы при своем движении никакого сопротивления и электропроводность металлов была бы бесконечно большой. Согласно корпускулярно-волновому дуализму, движению электрона сопоставляют волновой процесс. Идеальная кристаллическая решетка металла (в ее узлах находятся неподвижные частицы и в ней отсутствуют нарушения периодичности) ведет себя подобно оптически однородной среде - она «электронные волны» не рассеивает. Это соответствует тому, что металл не оказывает электрическому току — упорядоченному движению электронов — никакого сопротивления. «Электронные волны», распространяясь в идеальной кристаллической решетке металла, как бы огибают узлы решетки и проходят значительные расстояния.

В реальной кристаллической решетке металла всегда имеются неоднородности, которыми могут быть, например, примеси, вакансии; неоднородности обусловливаются также тепловыми колебаниями. В реальной кристаллической решетке происходит рассеяние «электронных волн» на неоднородностях, что и является причиной электрического сопротивления металлов. Рассеяние «электронных волн» на неоднородностях, связанных с тепловыми колебаниями, можно рассматривать как столкновения электронов с фононами.

Удельное электрическое сопротивление (ρ) металлов можно представить в виде

ρ = ρколеб + ρприм,

где ρколеб — сопротивление, обусловленное тепловыми колебаниями решетки, ρприм — сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на примесных атомах. Слагаемое ρколеб уменьшается с понижением температуры и обращается в нуль при Т = 0 К. Слагаемое ρприм при небольшой концентрации примесей не зависит от температуры и образует так называемое остаточное сопротивление металла, т. е. сопротивление, которым металл обладает вблизи 0 К.

Расчет электропроводности металлов, выполненный на основе квантовой теории, приводит к выражению для удельной электрической проводимости металла

(15.1)

которое по внешнему виду напоминает классическую формулу для σ, но имеет совершенно другое физическое содержание. Здесь п — концентрация электронов проводимости в металле; <ℓF> — средняя длина свободного пробега электрона, имеющего энергию Ферми, <uF> - средняя скорость теплового движения такого электрона, m* - эффективная масса электронов. Выводы, получаемые на основе формулы (15.1), полностью соответствуют опытным данным. Квантовая теория металлов, в частности, объясняет зависимость удельной проводимости от температуры: σ ~ 1/Т (классическая теория дает, что σ ~ 1/√Т), а также аномально большие величины (порядка сотен периодов решетки) средней длины свободного пробега электронов <ℓF> в металле.

Согласно классической теории, средняя скорость теплового движения электронов <u> ~ √T, поэтому она не смогла объяснить истинную зависимость удельной электрической проводимости σ от температуры. В квантовой теории средняя скорость <uF> от температуры практически не зависит, так как доказывается, что с изменением температуры уровень Ферми остается практически неизменным (см. (14.53)). Однако с повышением температуры рассеяние «электронных волн» на тепловых колебаниях решетки (на фононах) возрастает, что соответствует уменьшению средней длины свободного пробега электронов. В области комнатных температур <ℓF> ~ T -1, поэтому, учитывая независимость <uF> от температуры, получим, что сопротивление металлов (R ~ 1/σ) в соответствии с данными опытов растет пропорционально T.

Различие классической трактовки движения электронов проводимости в металле и квантовомеханической трактовки заключается в следующем. При классическом рассмотрении предполагается, что все электроны возмущаются внешним электрическим полем. При квантовомеханической трактовке приходится принимать во внимание, что, хотя электрическим полем также возмущаются все электроны, однако их коллективное движение воспринимается в опыте как возмущение полем лишь электронов, занимающих состояния вблизи уровня Ферми. Кроме того, при классической трактовке в знаменателе формулы (15.1) должна стоять обычная масса электрона т. При квантовомеханической трактовке вместо обычной массы должна быть взята эффективная масса электрона m*. Это обстоятельство является проявлением общего правила, согласно которому соотношения, полученные в приближении свободных электронов, оказываются справедливыми и для электронов, движущихся в периодическом поле решетки, если в них заменить истинную массу m электрона эффективной массой m*.


Физика атомного ядра и элементарных частиц