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Drude Model in Soild State Physics

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2020/04/17 Share

最近发现Drude model 真是太重要了啊。我主要从事半导体工作,也会用到今属,Drude model 把载流子浓度n,漂移寿命(对应声子散射频率) [公式] ,电磁波频率 [公式] ,物质有效质量m放在一个公式里面真是太有意思了啊。Drude model就是用来描述物质最基本的性质的模型,最基本的性质包括 电导率 [公式] ,介电常数 [公式] ,以及折射率n,此外还有吸收系数 [公式][公式]

试想一下光与物质的相互作用是怎么作用的?

光对物质的作用分为光对物质中的自由电子的作用,和 光对物质中电子跃迁的作用,Drude model 描述的就是光对半导体和金属中自由电子的作用。

简单来说,Drude model 就是将电子看作是经典的粒子

{利用独立电子近似(忽略电子相互作用),自由电子近似(忽略电子与晶格相互作用),再考虑一个弛豫时间}

从经典的牛顿第二定律入手,动力学方程为

[公式]

这里 [公式] 这一项提供了阻尼项;一个正弦变化的电场提供驱动力,

为了对应正弦变化的场,电子的运动速度也会是正弦变化,设为

[公式]

得到

[公式]

求解出了电子的运动速度 [公式] ,进而用

[公式]

从而求解出 [公式]

而从基本麦克斯韦方程可以推导出 [公式][公式] 的千丝万缕的关系,从而有了 [公式] ,

[公式]

也就是有了

[公式] , 也就是有了色散关系。

然后分别根据高频和低频以及共振频率进行分析。低频和高频是电子波频率相对与电子运动的频率的比较,一半用 [公式] 跟1的关系是远大于还是远小于来衡量,换个形式就是 [公式][公式] 的比较, [公式] 显然就是电子的频率。当然上面色散关系的分母就是 [公式] ,因此通过比较就可以做不同的近似,从而是色散关系简单很多。

下面再把介电常数和折射率再分开解释一下。

物质的介电常数表述的是对外加电场的响应情况,对了,电磁波(光)是高频变化的电场。介电常数是复数,而且可正可负可为零的,我暂时理解正负号是对外电场做出回应的方向不同(有误请指出),而虚部是对外电场相应的相位滞后。

介电常数随频率变化会存在一个零点,这个频率为零的称为 等离子体频率 [公式] (Plasma frequency)。

金属的等离子体频率很高,在x射线波段。

而半导体的等离子体频率和掺杂关系很大,对半导体而言,当介电常数从正变为负时,也说其对光的相应从半导体变为金属性质,半导体介电常数的实部是与掺杂浓度呈反比的关系,掺杂浓度越高,介电常数越小,折射率也就越小。

折射率

[公式] [公式]

实部可以立即成物质对光在里面传播的阻碍作用,v=c/n,折射率越大意味着光在物质中的速度越小。而折射率的虚部则描述的是光对物质的吸收和损耗作用。

下面再说一个参数,吸收系数 [公式] ,也就是损耗。

[公式]

吸收有自由载流子吸收和带间跃迁吸收,这里只讲一下金属和半导体中自由载流子的吸收,有人需要的话我再不带间吸收的。具体公式我也就不写了,

对金属而言,吸收系数 [公式][公式] 成正比;

对半导体而言,吸收系数 [公式][公式] 成正比。

这是因为,对半导体而言,一般光学频率(可见光及红外)是高频,取得是高频近似,而对金属而言,一般光波频率是低频,因此取得低频近似,这是金属半导体得区别,

顺便提一下:金属里面自由电子浓度大概30次方左右 [公式] ,半导体是10-20,而且电子在金属中运动,应该还有其他常数得数量级,有空补充。

以上是我用到的Drude model简单应用的浅陋理解,说错了请指出,我一定改。

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