Физика в вопросах и ответах

ВОПРОС: Известно, что свободные электроны в металлах (электроны проводимости) - квантовые объекты. Я где-то слышал, что концентрация таких электронов изменяется при удалении от оси круглого проводника. Она наибольшая у поверхности и наименьшая у оси. Если это так, то при протекании в таком проводнике постоянного электрического тока должен существовать своеобразный скин-эффект (как и при передаче по проводнике высокочастотного переменного тока). Так ли это? Где об этом можно прочитать?

ОТВЕТ: В самом деле, в идеальном проводнике поверхность металла с точки зрения электронов является своеобразным "дефектом", резким нарушением периодичности решетки. На рисунке показан профиль потенциала кристалла вблизи его поверхности.


Видно, что крайняя "ступенька" в кривой, отображающей потенциал, отличается от остальных ступенек. Этот дефект обладает свойством привязывать к себе электроны. Такие локализованные состояния электронов называются поверхностными таммовскими состояниями (в честь советского физика И.Тамма, который предсказал их в 1932г.).

Наличие поверхностных состояний наибольшую роль играет в полупроводниках, изменяя термоэлектронную работу выхода электронов, оптические свойства полупроводника, а также вольтамперную характеристику контакта полупроводника с металлом или другим полупроводником. Прикладывая внешнее электрическое поле можно влиять на заполнение поверхностных состояний, меняя проводимость материала вблизи его поверхности (в тонких микронной толщины каналах можно даже сменить тип проводимости, например, с n на p).

Аналогия со скин-эффектом не очень удачна. Традиционно термином "скин-эффект" обозначают хорошо известный эффект динамической природы. Термином "статический скин-эффект" обозначают сосредоточение постоянного тока вблизи поверхности металла, находящегося в сильном магнитном поле (не меньше 100 Тл). Природа этого эффекта такова. Электроны проводимости, находящиеся далеко от поверхности, двигаясь по окружностям в магнитном поле, не могут дать существенного вклада в общий ток. Приповерхностные электроны гораздо эффективнее движутся вдоль тянущего электрического поля (на рисунке показан случай зеркального отражения электронов от границы).


Литература:

В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников "Физика полупроводников", М., Наука, 1977, гл.10,
Л.Солимар, Д.Уолш "Лекции по электрическим свойствам материалов", М., Мир, 1991, гл.9,
Я.А.Федотов "Основы физики полупроводниковых приборов", М., Советское радио, 1969, гл.14,
И.М.Лившиц, М.Я.Азбель, М.И.Каганов "Электронная теория металлов", М., Наука, 1971, параграф 29.

И.П.Иванов, В.И.Шелест



[ Предыдущий вопрос     Оглавление     Следующий вопрос ]


vlad@ssl.nsu.ru