مکانیزم انتقال بار
مکانیسم های انتقال بار مدل های نظری هستند که هدف آنها توصیف کمی جریان جریان الکتریکی از طریق یک محیط است.
نظریه
[ویرایش]جامدات بلوری و جامدات مولکولی دو مورد شدید متفاوت از مواد هستند که سازوکارهای انتقال بار کاملاً متفاوتی از خود نشان میدهند. در حالیکه
در جامدات بی نظم ، پتانسیلهای بینظم منجر به اثرات ضعیف موضعی (تلهها) میشود که باعث کاهش مانگین مسیر آزاد و از این رو تحرک بارهای متحرک میشد. ترکیب مجدد حامل همچنین باعث کاهش تحرک میشود.
پاامتر | حملونقل باند ( حمل و نقل بالستیک ) | حملونقل |
---|---|---|
مثال ها | نیمه هادی های بلوری | جامدات بی نظیر ، نیمه هادی های نیمه بلوری و آمورف |
سازوکار اساسی | عملکرد موج مولکولی جدا از کل حجم | انتقال بین سایتهای محلی از طریق تونل زنی (الکترون) یا عبور از موانع احتمالی (یونها) |
فاصله بین سایت | طول پیوند (کمتر از 1) نانومتر) | بهطور معمول بیش از 1 نانومتر |
مسیر آزاد متوسط | بزرگتر از فاصله بین سایت | فاصله بین سایت |
تحرک | بهطور معمول بزرگتر از 1 است cm 2 / Vs ؛ مستقل از میدان الکتریکی با افزایش دما کاهش می یابد | بهطور معمول کوچکتر از 0.01 است cm 2 / Vs ؛ بستگی به میدان الکتریکی دارد. با افزایش دما افزایش می یابد |
با شروع از قانون اهم و استفاده از تعریف رسانایی ، می توان برای جریان به عنوان تابعی از حامل بار μ و میدان الکتریکی اعمال شده ، عبارت مشترک زیر را بدست آورد:
رابطه هنگامی است که غلظت حالتهای موضعی بهطور قابل توجهی بالاتر از غلظت حاملهای بار است ، و با این فرض که پرشها از یکدیگر مستقل هستند.
بهطور کلی ، تحرک حامل μ به دما T ، به میدان الکتریکی اعمال شده E و غلظت حالت های موضعی N بستگی دارد. بسته به مدل ، افزایش دما ممکن است تحرک حامل را افزایش یا کاهش دهد ، میدان الکتریکی اعمال شده می تواند با کمک به افزایش تحرک یونیزاسیون حرارتی بارهای به دام افتاده و افزایش غلظت حالت های موضعی ، تحرک را نیز افزایش دهد. حمل و نقل شارژ در یک ماده ممکن است بسته به نوع و دمای اعمال شده توسط مدلهای مختلف توصیف شود.[۱]
تمرکز حالات موضعی
[ویرایش]تحرک حامل به شدت به غلظت حالت های موضعی به صورت غیرخطی بستگی دارد.[۲] در مورد پریدن نزدیکترین همسایه ، که حد غلظت های کم است ، می توان عبارت زیر را برای نتایج آزمایشی تطبیق داد:
جایی که غلظت است و طول موضعیت حالات موضعی است. این معادله مشخصه پرش حامل بار نامنسجم است که در غلظت های کم صورت می گیرد ، جایی که عامل محدود کننده، افت نمایی احتمال پرش با فاصله بین سایتهاست.
بعضی اوقات این رابطه به جای جریان برای هدایت بیان می شود:
جایی که غلظت سایت های توزیع شده بهطور تصادفی است ، غلظت مستقل است ، شعاع موضعیت است ، و یک ضریب عددی است.
در غلظت های بالا ، انحرافی از مدل نزدیکترین همسایه مشاهده می شود و به جای توصیف حامل بار ، از هاپینگ با دامنه متغیر استفاده می شود. از هاپینگ با دامنه متغیر می توان برای توصیف سیستم های بی نظم مانند پلیمرهای دوپ شده با مولکول ، شیشههای با وزن مولکولی کم و پلیمرهای کونژوگه استفاده کرد. در حد سیستمهای بسیار رقیق ، وابستگی نزدیکترین همسایه معتبر است ، اما فقط با .
وابستگی به دما
[ویرایش]در تراکم حامل کم ، فرمول موت برای هدایت وابسته به دما برای توصیف حامل بار استفاده می شود. در هاپینگ متغیر داریم:
که یک پارامتر است که دمای مشخصه را نشان می دهد. برای دمای پایین ، با فرض یک شکل سهموی از تراکم حالت های نزدیک به سطح فرمی ، رسانایی توسط:
نشان داده می شود و در تراکم حامل بالا ، وابستگی به آرنیوس مشاهده می شود:
در حقیقت ، رسانایی الکتریکی مواد بی نظم تحت بایاس DC دارای شکل مشابهی برای یک دامنه دمایی بزرگ است که به عنوان هدایت فعال نیز شناخته می شود:
میدان الکتریکی کاربردی
[ویرایش]زمینه های الکتریکی بالا باعث افزایش تحرک مشاهده شده می شود:
نشان داده شد که این رابطه طیف وسیعی از نقاط قدرت میدان را حفظ می کند.[۳]
رسانایی AC
[ویرایش]قسمتهای واقعی و خیالی رسانایی AC برای طیف وسیعی از نیمه هادیهای بی نظم به شکل زیر است:[۴]
که در آن C ثابت است و s معمولاً کوچکتر از وحدت است.
در نسخه اصلی آن [۵][۶] مدل مانع تصادفی (RBM) برای رسانایی AC در جامدات بی نظم پیش بینی شده است
اینجا رسانایی DC است و زمان مشخصه (فرکانس معکوس) شروع رسانایی AC است. بر اساس حدس تقریباً دقیق الکساندر-اورباخ برای بعد هارمونیک خوشه تراکم ، [۷] نمایش دقیق تر هدایت RBM AC در سال 2008 ارائه شده است [۸]
که در آن و فرکانس مقیاس گذاری شده است.
رسانش یونی
[ویرایش]مقاومت الکترونیکی الکترولیت های لایه نازک مشابه هدایت الکترون، به میدان الکتریکی اعمال شده بستگی دارد ، بهطوری که وقتی ضخامت نمونه کاهش می یابد ، هم به دلیل کاهش ضخامت و هم افزایش رسانایی ناشی از میدان ، هدایت بهبود می یابد. وابستگی میدانی چگالی جریان j از طریق یک رسانای یونی ، با فرض اینکه یک مدل پیاده روی تصادفی با یونهای مستقل تحت یک پتانسیل تناوبی بدست آمده است:
که در آن α جدایی بین سایت است.
تعیین تجربی مکانیسم های حامل بار
[ویرایش]توصیف خصوصیات انتقال بار،ر مستلزم ساخت دستگاه و اندازه گیری خصوصیات ولتاژ جریان آن است. دستگاه هایی برای مطالعاتانتقاللبار معمولاً توسط رسوبات لایه نازک یا اتصالات شکسته ساخته می شوند . مکانیسم حمل و نقل غالب در یک دستگاه اندازه گیری شده را می توان با تجزیه و تحلیل هدایت افتراقی تعیین کرد. در فرم دیفرانسیل ، مکانیسم انتقال را می توان بر اساس ولتاژ و درجه حرارت وابسته به جریان از طریق دستگاه تشخیص داد.[۹]
مکانیزم حمل و نقل | تأثیر میدان الکتریکی | فرم عملکردی | فرم دیفرانسیل |
---|---|---|---|
تونل گذاری فاولر-نوردهایم ( انتشار میدانی ) a | |||
تابش حرارتی b | ارتفاع مانع را کاهش می دهد | ||
معادله آرنیوس c | |||
پولپ - فرنکل پرش کردن | یونیزاسیون حرارتی بارهای به دام افتاده کمک می کند | ||
تونل زنی به کمک حرارت d |
^ is the measured current, is the applied voltage, is the effective contact area, is Planck's constant, is the barrier height, is the applied electric field, is the effective mass. |
^ is Richardson's constant, is the temperature, is Boltzmann's constant, and are the vacuum the relative permittivity, respectively. |
^ is the activation energy. |
^ is an elliptical function; is a function of ، the applied field and the barrier height. |
بیان تحرک به عنوان محصولی از دو اصطلاح ، اصطلاح مستقل از زمینه و اصطلاح وابسته به زمینه ، معمول است:
جایی که انرژی فعال سازی است و β وابسته به مدل است. به عنوان مثال ، برای پولپ - فرنکل ،
وقتی ارتفاع سد کم است ، تونل زدن و انتشار ترمونیک معمولاً مشاهده می شود. تونل زنی با کمک حرارت یک مکانیسم "ترکیبی" است که سعی در توصیف طیف وسیعی از رفتارهای همزمان ، از تونل زنی تا انتشار حرارتی دارد.[۱۰][۱۱]
جستارهای وابسته
[ویرایش]- انتقال الکترون
بیشتر خواندن
[ویرایش]- Nevill Francis Mott; Edward A Davis (2 February 2012). Electronic Processes in Non-Crystalline Materials (2nd ed.). OUP Oxford. ISBN 978-0-19-102328-6..mw-parser-output cite.citation{font-style:inherit}.mw-parser-output .citation q{quotes:"\"""\"""'""'"}.mw-parser-output .id-lock-free a,.mw-parser-output .citation .cs1-lock-free a{background:linear-gradient(transparent,transparent),url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Lock-green.svg%22)right 0.1em center/9px no-repeat}.mw-parser-output .id-lock-limited a,.mw-parser-output .id-lock-registration a,.mw-parser-output .citation .cs1-lock-limited a,.mw-parser-output .citation .cs1-lock-registration a{background:linear-gradient(transparent,transparent),url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d6/Lock-gray-alt-2.svg%22)right 0.1em center/9px no-repeat}.mw-parser-output .id-lock-subscription a,.mw-parser-output .citation .cs1-lock-subscription a{background:linear-gradient(transparent,transparent),url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/aa/Lock-red-alt-2.svg%22)right 0.1em center/9px no-repeat}.mw-parser-output .cs1-subscription,.mw-parser-output .cs1-registration{color:#555}.mw-parser-output .cs1-subscription span,.mw-parser-output .cs1-registration span{border-bottom:1px dotted;cursor:help}.mw-parser-output .cs1-ws-icon a{background:linear-gradient(transparent,transparent),url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Wikisource-logo.svg%22)right 0.1em center/12px no-repeat}.mw-parser-output code.cs1-code{color:inherit;background:inherit;border:none;padding:inherit}.mw-parser-output .cs1-hidden-error{display:none;font-size:100%}.mw-parser-output .cs1-visible-error{font-size:100%}.mw-parser-output .cs1-maint{display:none;color:#33aa33;margin-left:0.3em}.mw-parser-output .cs1-subscription,.mw-parser-output .cs1-registration,.mw-parser-output .cs1-format{font-size:95%}.mw-parser-output .cs1-kern-left,.mw-parser-output .cs1-kern-wl-left{padding-left:0.2em}.mw-parser-output .cs1-kern-right,.mw-parser-output .cs1-kern-wl-right{padding-right:0.2em}.mw-parser-output .citation .mw-selflink{font-weight:inherit}
- Sergei Baranovski, ed. (22 September 2006). Charge Transport in Disordered Solids with Applications in Electronics. Wiley. ISBN 978-0-470-09504-1.
- B.I. Shklovskii; A.L. Efros (9 November 2013). Electronic Properties of Doped Semiconductors. Solid-State Sciences. 45. Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-662-02403-4.
- Harald Overhof; Peter Thomas (11 April 2006). Electronic Transport in Hydrogenated Amorphous Semiconductors. Springer Tracts in Modern Physics. 114. Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-540-45948-4.
- Martin Pope; Charles E. Swenberg (1999). Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-512963-2.
منابع
[ویرایش]- ↑ Bof Bufon, Carlos C.; Vervacke, Céline; Thurmer, Dominic J.; Fronk, Michael; Salvan, Georgeta; Lindner, Susi; Knupfer, Martin; Zahn, Dietrich R. T.; Schmidt, Oliver G. (2014). "Determination of the Charge Transport Mechanisms in Ultrathin Copper Phthalocyanine Vertical Heterojunctions". The Journal of Physical Chemistry C. 118 (14): 7272–7279. doi:10.1021/jp409617r. ISSN 1932-7447.
- ↑ Gill, W. D. (1972). "Drift mobilities in amorphous charge‐transfer complexes of trinitrofluorenone and poly‐n‐vinylcarbazole". Journal of Applied Physics. 43 (12): 5033–5040. doi:10.1063/1.1661065. ISSN 0021-8979.
- ↑ Van der Auweraer, Mark; De Schryver, Frans C.; Borsenberger, Paul M.; Bässler, Heinz (1994). "Disorder in Charge Transport in doped polymers". Advanced Materials. 6 (3): 199–213. doi:10.1002/adma.19940060304. ISSN 0935-9648.
- ↑ Jonscher, A. K. (June 1977). "The 'universal' dielectric response". Nature (به انگلیسی). 267 (5613): 673–679. doi:10.1038/267673a0. ISSN 0028-0836.
- ↑ Dyre, Jeppe C. (1988). "The random free‐energy barrier model for ac conduction in disordered solids". Journal of Applied Physics (به انگلیسی). 64 (5): 2456–2468. doi:10.1063/1.341681. ISSN 0021-8979.
- ↑ Dyre, Jeppe C.; Schrøder, Thomas B. (2000). "Universality of ac conduction in disordered solids". Reviews of Modern Physics (به انگلیسی). 72 (3): 873–892. doi:10.1103/RevModPhys.72.873. ISSN 0034-6861.
- ↑ Alexander, S.; Orbach, R. (1982). "Density of states on fractals : " fractons "". Journal de Physique Lettres. 43 (17): 625–631. doi:10.1051/jphyslet:019820043017062500. ISSN 0302-072X.
- ↑ Schrøder, Thomas B.; Dyre, Jeppe C. (2008). "ac Hopping Conduction at Extreme Disorder Takes Place on the Percolating Cluster". Physical Review Letters. 101 (2): 025901. doi:10.1103/PhysRevLett.101.025901.
- ↑ ۹٫۰ ۹٫۱ Conklin, David; Nanayakkara, Sanjini; Park, Tae-Hong; Lagadec, Marie F.; Stecher, Joshua T.; Therien, Michael J.; Bonnell, Dawn A. (2012). "Electronic Transport in Porphyrin Supermolecule-Gold Nanoparticle Assemblies". Nano Letters. 12 (5): 2414–2419. doi:10.1021/nl300400a. ISSN 1530-6984. PMID 22545580.
- ↑ Murphy, E. L.; Good, R. H. (1956). "Thermionic Emission, Field Emission, and the Transition Region". Physical Review. 102 (6): 1464–1473. doi:10.1103/PhysRev.102.1464. ISSN 0031-899X.
- ↑ Polanco, J. I.; Roberts, G. G. (1972). "Thermally assisted tunnelling in dielectric films (II)". Physica Status Solidi A. 13 (2): 603–606. doi:10.1002/pssa.2210130231. ISSN 0031-8965.