Электрон-фононное увлечение

Электрон-фононное увлечение (увлечение электронов фононами, фононный ветер^[1]) — взаимодействие с неравновесными фононами носителей тока (электронов или дырок) в проводнике. При создании в образце градиента температуры, возникает поток фононов, которые, рассеиваясь на электронах, передают им часть своего квазиимпульса и создают поток их от горячего к холодному краю образца. Это один из вкладов в термоэлектрический эффект в замкнутой цепи. В разомкнутой цепи возникает термоэдс увлечения. Эффект увлечения был предсказан Л. Э. Гуревичем для металлов в 1945 году^{[2] [3]}. Фредерикс впервые наблюдал этот эффект в германии в 1953 году^[4]. Эффект наблюдают в достаточно чистых образцах при длине свободного пробега носителей тока сравнимой с фононами, то есть электрон-фононное взаимодействие является главным механизмом рассеяния носителей тока, а не примеси и другие релаксационные процессы^[5], и даёт основной вклад в термоэдс при низких температурах.

Общие уравнения

Для трёхмерного кристалла с кубической решёткой законы дисперсии для электронов, акустических и оптических фононов запишутся в виде:

${\displaystyle \varepsilon ={\frac {{\textbf {p}}^{2}}{2m}},}$

${\displaystyle \hbar \omega =sq,}$

${\displaystyle \hbar \Omega =\hbar \Omega _{0}\left(1-{\frac {\alpha a^{2}q^{2}}{\hbar ^{2}}}\right),}$

где p — квазиимпульс электрона, q — квазиимпульс фонона (q=|q|), m — эффективная масса электрона, α — дисперсионная постоянная, a— постоянная решётки, ${\displaystyle \hbar }$ — редуцированная постоянная Планка, ω и Ω — частоты акустических и оптических фононов. Кинетика квазичастиц описывается неравновесными функциями распределения для электронов — f, акустических и оптических фононов — N и N ^o. Эти функции удовлетворяют связанным кинетическим уравнениям Больцмана:

${\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial t}}+{\textbf {v}}{\frac {\partial f}{\partial {\textbf {r}}}}+e\left({\textbf {E}}+{\frac {1}{c}}{\textbf {v}}\times {\textbf {H}}\right){\frac {\partial f}{\partial {\textbf {p}}}}=S_{ep}+S_{ed}+S_{ee}+S_{eo}}$,

${\displaystyle {\frac {\partial N}{\partial t}}+{\textbf {v}}_{q}\cdot \nabla N=S_{pe}+S_{pp}+S_{pd}+S_{po}}$,

${\displaystyle {\frac {\partial N^{o}}{\partial t}}+{\textbf {v}}_{q}^{o}\cdot \nabla N^{o}=S_{oe}+S_{oo}+S_{od}+S_{op}}$,

где r — координата (радиус-вектор), t — время, v, v_q и v_q^o — скорости электрона, акустических и оптических фононов. E — электрическое поле, H — напряжённость магнитного поля, c — скорость света, S с индексами — интеграл столкновений где первые индексы означают рассеиваемую частицу, а второй — рассеиватель. e, p, o и d соответствуют электронам, акустическим фононам, оптическим фононам и дефектам таким как примесям и границам образца. В общем виде задача сводится к решению этих уравнений при каких-то допущениях (упрощений) на вид интегралов столкновений.

Примечания

1. Копелиович А. И., Бреслер М. С. Увлечение электронов фононами // Физика твёрдого тела: Энциклопедический словарь / Гл. ред. В. Г. Барьяхтар. — Киев: «Наукова Думка», 1998. — Т. 2. — С. 395. — 644 с. — ISBN 9660000731.
2. L.E. Gurevich.  // Zh. Eksp. Teor. Fiz.. — 1946. — С. 193.
3. L.E. Gurevich.  // Zh. Eksp. Teor. Fiz.. — 1946. — С. 416.
4. H. P. R. Frederikse. Thermoelectric Power of Germanium below Room Temperature // Phys. Rev.. — 1953. — Т. 92. — С. 248. — doi:10.1103/PhysRev.92.248. Архивировано 30 января 2022 года.
5. Yu. G. Gurevich, O. L. Mashkevich. Электрон-фононное увлечение и транспортные явления в полупроводниках // Physics Rep.. — 1989. — Т. 181. — С. 327—394. — doi:10.1016/0370-1573(89)90011-2. Архивировано 22 июня 2022 года.