漂移速度
漂移速度(Drift Velocity)，是指一個粒子（例如電子）因為電場的關係而移動的平均速度。
基本介紹
中文名：漂移速度外文名：Drift Velocity定義：一個粒子因電場而移動的平均速度別稱：軸向漂移速度作用：解釋歐姆定律相關名詞：費米速度
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基本信息漂移速度是由於電場而導致的材料中諸如電子的粒子的平均速度。它也可以稱為軸向漂移速度。通常，電子將以費米速度隨機地在導體中傳播。施加的電場將使該隨機運動在一個方向上具有小的淨流速。在半導體中，兩個主載流子散射機制是電離雜質散射和晶格散射。因為電流與漂移速度成比例，電阻材料中的電流又與外部電場的大小成比例，歐姆定律可以用漂移速度來解釋。歐姆定律的最基本表達方式是：其中u是漂移速度，μ是材料的電子遷移率（單位為m2 /（V⋅s）），E為電場（單位V / m）。實驗測量用於評估恆定橫截面積材料中載流子漂移速度的公式由下式給出：其中u是電子的漂移速度，j是流過材料的電流密度，n是電荷載流子數密度，q是電荷載流子上的電荷。在正圓柱載流金屬歐姆導體的基本性質上，電荷載體是電子，這個表達式可以重寫為：這裡，u是電子的漂移速度，以m⋅s-1為單位；m是金屬的分子質量，單位為kg；σ是介質在所考慮的溫度下的電導率，單位為S / m；ΔV是施加在導體上的電壓；ρ是導體的密度（單位體積質量），單位為kg·m-3；e是C中的基本電荷；f是每個原子的自由電子數；l是導體的長度，單位為m。數值舉例電通常用銅線進行。銅的密度為8.94g / cm3，原子重量為63.546g / mol，因此為140685.5mol / m3。一摩爾的任何元素有6.02×1023個原子(阿伏伽德羅常數)。 因此，在1m3的銅中，約有8.5×1028個原子（6.02×1023×140685.5mol / m3）。 銅每原子具有一個自由電子，所以n等於每立方米8.5×1028個電子。假設電流I = 1安培，直徑為2mm（半徑= 0.001米）的電線。 該導線的截面積為3.14×10-6m2（A =π×（0.001m）2）。 一個電子的電荷為q = -1.6×10-19℃。因此可以計算漂移速度：單位分析：因此，在該線中，電子以23μm/s的速率流動。 在60Hz交流電流下，這意味著在半個周期內，電子漂移小於0.2μm。 換句話說，流過開關中的接觸點的電子將永遠不會離開開關。相比之下，這些電子的費米流速（在室溫下可以被認為是沒有電流的近似速度）約為1570公里/秒。漂移運動熱運動和漂移運動載流子在沒有受到任何驅動（即無濃度梯度，也無電場）時，它就進行著無規的熱運動。熱運動的特點：①沒有方向性；②不斷遭受散射；③具有一定的熱運動能量和熱運動速度（vth），在溫度T時即滿足：(1/2)m*vth2=(3/2)kT，其中m*是載流子有效質量。在室溫下，vth≈107cm/s。在有外電場作用時即發生漂移運動。漂移運動的特點：①沿著電場的方向運動——定向運動；②漂移運動是疊加在熱運動基礎之上的一種定向運動，因此漂移運動的速度——漂移速度必然小於熱運動速度；③在漂移過程中將 不斷遭受散射（否則漂移速度將變成）。連續兩次散射之間的行走距離稱為平均自由程，相應的行走時間稱為平均自由時間（t）。漂移速度和遷移率若電場強度為E，則由動量平衡關係可以給出平均漂移速度vd為：vd = qtE/m*.可見，漂移速度與電場成正比，其比例係數就是載流子的所謂遷移率μ：μ= vd/E= qt/m*.這就是說，載流子遷移率就是單位電場作用下、所產生的平均漂移速度，單位是[cm2/V-s]。遷移率即表征著載流子在電場作用下加速運動的快慢。漂移速度與電場的關係在低電場下，遷移率m為常數，則漂移速度與電場成正比（vd∝E），即歐姆定律成立；但是在強電場下，由於載流子獲得很大的動能（大於熱能kT），成為了熱載流子，就可能把能量轉移到晶格上去，即可以產生出光學波聲子，而載流子本身的速度就不再升高——達到飽和，即為飽和速度vdsat，如圖2所示。注意，飽和速度vdsat接近（但小於）熱運動速度；在室溫下，即約為107cm/s。漂移速度-電場關係可以採用許多經驗公式來表示，例如：vd=μE/[1+(μE/vdsat)].可見，在低電場下，漂移速度與電場成正比（vd=μE）；而在強電場時，因為漂移速度不再與電場成正比，所以載流子的遷移率概念即失去了意義，這時應該採用恆定的漂移速度（vd=μE）來表征漂移運動。當電場較強、使得電子獲得較高能量時，即可以從有效質量小的低能谷躍遷到有效質量大的高能谷上面去，並導致漂移速度下降，即產生負電阻。這種轉移電子效應所產生的負電阻是Gunn二極體工作的物理基礎。
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