Ruchliwość nośników – w fizyce oraz chemii, wielkość wyrażająca związek między prędkością dryfu elektronów, jonów lub innych nośników ładunku, i zewnętrznym polem elektrycznym. Ruchliwością nazywa się czasem również sam proces ruchu skierowanego (dryfowania) nośników ładunku pod wpływem pola elektrycznego.
W przypadku ciał stałych ruchliwość elektronów oraz dziur (ruchliwość nośników ładunku) zależy od temperatury.
Definicja i jednostka Ruchliwość definiowana jest jako prędkość dryfu nadawana przez jednostkowe pole elektryczne:
gdzie: – ruchliwość.
Najczęściej wyraża się ją w m²/Vs.
Relacja Einsteina Wzór Einsteina wyraża związek między ruchliwością a współczynnikiem dyfuzji:
gdzie: – współczynnik dyfuzji, – temperatura nośników ładunku, – stała Boltzmanna, – ładunek elektryczny.
Ruchliwość elektronów w gazie W zmiennym polu elektrycznym skierowana prędkość elektronów nie musi zgadzać się w fazie z natężeniem pola. Tym samym przewodność elektryczna jest wielkością zespoloną. W słabo zjonizowanym gazie ruchliwość opisuje związek Langevina:
gdzie: – masa elektronu, – częstość kołowa pola elektrycznego, – częstotliwość zderzeń elektronów z cząsteczkami.
W stałym polu elektrycznym ruchliwość wynosi:
gdzie: – średnia droga swobodna elektronu, – średnia prędkość ruchu cieplnego elektronów, – współczynnik liczbowy rzędu 0,5-1.
Elektrony posiadają znacznie mniejszą masę niż cząsteczki, dlatego podczas zderzeń sprężystych z nimi tracą bardzo małą część energii kinetycznej. W wyniku tego nawet w słabych polach ich energia średnia przewyższa energię cząsteczek obojętnych i rośnie w miarę wzrostu natężenia pola. Przy założeniu, że zderzenia mają charakter sprężysty, otrzymano wzór Dawydowa:
gdzie: – masa cząsteczki, – temperatura gazu.
Ruchliwość jonów w gazie W teorii Langevina atomy i jony są traktowane jako kule sztywne, odpychające się przy bezpośrednim zbliżeniu, a poza tym przyciągają się wzajemnie siłami polaryzacyjnymi. Wzór Langevina:
gdzie: – przenikalność dielektryczna gazu, – masa jonu, – masa atomu, – gęstość gazu, – parametr wyrażający względny udział w mechanizmie ruchliwości zderzeń bezpośrednich w stosunku do sił polaryzacji.
Jeśli w gazie są tylko jony powstałe w wyniku jonizacji cząsteczek tego samego gazu, to ich ruchliwość związana jest przede wszystkim z procesem wymiany ładunku jonów.
Ruchliwość nośników w półprzewodniku Ruchliwość nośników zależy od koncentracji domieszek. W półprzewodnikach do wartości koncentracji domieszek rzędu 1015 cm−3 ruchliwość nośników jest praktycznie stała, a powyżej tej wartości zaczyna maleć.
Ruchliwość zależy także od temperatury. W zakresie temperatur dominuje rozpraszanie nośników na atomach sieci (ruchliwość sieciowa). W takim przypadku ruchliwość maleje przy wzroście temperatury zgodnie z zależnością:
gdzie: – jest stałą niezależną od temperatury.
Zobacz też łańcuch kinematyczny
Bibliografia Encyklopedia fizyki, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1974.
Kategoria:Elektrochemia Kategoria:Fizyka ciała stałego