漂移速度是由于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凈流速。
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)。
用于評估恒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:
這里,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。
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等于每立方米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 = -1.6×10-19C。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,電子漂移小于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。
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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——漂移速度必然小于熱運動速度;
③在漂移過程中將 不斷遭受散射(否則漂移速度將變成
漂移速度和遷移率
若電場強度為E,則由動量平衡關系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,其比例系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系
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,由于載流子獲得很大的動能(大于熱能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。注意,飽和速度vdsat接近(但小于)熱運動速度;在室溫下,即約為107cm/s。
漂移速度-電場關系可以采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,這時應該采用恒定的漂移速度(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,并導致漂移速度下降,即產生負電阻。這種轉移電子效應所產生的負電阻是Gunn二極管工作的物理基礎。
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漂移電壓和有效信號電壓無法分辨,嚴重時,漂移電壓甚至把有效信號電壓淹沒,使放大電路無法正常工作。
零漂移放大器是指失調電壓漂移接近于0的放大器。它連續自動校正任何直流誤差,實現超低水平的失調電壓、時間漂移和溫度漂移。零漂移放大器的常見特性包括:超低失調電壓和漂移、高開環增益、高電源抑制、高共模抑制以及零1/f噪聲。
主要是溫度對三極管的影響。溫度的變化會使三極管的靜態工作點發生微小而緩慢的變化,這種變化量會被后面的電路逐級放大,最終在輸出端產生較大的電壓漂移。因此,零點漂移也叫溫漂。