离子电子漂移剖析
第半导体物理课件 第四章
用，对电子产生散射作用。
• 横声学波要引起一定的切变，对具有多极值、旋转椭球等 能面的锗、硅来说，也将引起能带极值的变化。
光学波散射
• 离子性半导体中，长纵光学波有重要的散射作用。 • 每个原胞内正负离子振动位移相反，正负离子形成硫密 相间的区域，造成在一半个波长区域内带正电，另一半 个波长区域内带负电，将产生微区电场，引起载流子散 射。 长声学波振动，声子的速度很小，散射前后电子能量基本不 变，－－弹性散射 光学波频率较高，声子能量较大，散射前后电子能 量有较大的改变，－－非弹性散射。
迁移率和杂质与温度关系
杂质浓度较低，迁移率随温度升高迅速减小，晶格散射起主要作用； 杂质浓度高，迁移率下降趋势不显著，说明杂质散射机构的影响为主。当 杂质浓度很高时，低温范围内，随温度升高，电子迁移率缓慢上升，直到
很高温度(约550K左右)才稍有下降，这说明杂质散射起主要作用。晶格 振动散射与前者比影响不大，所以迁移率随温度升高而增大；温度继续升 高后，又以晶格振动散射为主，故迁移随温度下降。
② 计算中假设散射后的速度完全无规则，即散射后载流子向各个方向运动 的几率相等。这只适用于各向同性的散射．对纵声学波和纵光学波的散射确 实是各向同性的．但是电离杂质的散射则偏向于小角散射。所以精确计算还 应考虑散射的方向性。
下节较精确地计算半导体的电导率，为简单起见，仍限于讨论各向同性的 散射。
5 玻耳兹曼方程· 电导率的统计理论
• 各向同性晶体特点：
a、声学波散射： Ps∝T3/2 b、光学波散射：P o∝[exphv/k0T）]-1
2）电离杂质散射：即库仑散射
散射几率Pi∝NiT-3/2（Ni：为杂质浓度总和）。
3)其它散射机构
核电子学第2课探测器ppt课件
特点：有入射窗，常用Be(铍)窗。
多丝正比室和漂移室
多丝正比室的阴极为平板，阳极由平行的细丝组成多 路正比计数器。位置灵敏度达到mm量级，为粒子物理 等作出巨大贡献，于1992年获诺贝尔物理奖。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
1.3脉冲电离室
电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反
映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒
子的能量、时间、强度等。
脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电
压信号。
Q Ne E e W
电离室是一个理想的电荷源（其外回路对输出量无 影响）。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
气体放大过程中正离子的作用 离子漂移速度慢，在电子漂移、碰撞电离等过程
中，可以认为正离子基本没动，形成空间电荷， 处于阳极丝附近，会影响附近区域的电场，使电 场强度变弱，影响电子雪崩过程的进行。 正离子漂移到达阴极，与阴极表面的感应电荷中 和时有一定概率产生次电子，发生新的电子雪崩 过程，称为离子反馈；也可以通过加入少量多原 子分子气体阻断离子反馈。
一、气体探测器
平板型电离室
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
圆柱型电离室
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
外电场作用下离子晕中的离子电迁移
外电场作用下离子晕中的离子电迁移外电场的作用下，离子晕中的离子会发生电迁移。
离子电迁移是指在电场作用下，带电粒子在电场力的作用下发生速度改变并进行移动的过程。
在离子晕中，存在着大量的正、负电荷离子。
当外电场加入时，电场会对离子产生力的作用。
根据离散的粒子带电模型，正离子会受到一个朝外的力，负离子会受到一个朝内的力。
对于正离子来说，它们会受到电场力的推动，因此会加速向外移动。
当正离子与电场力平衡时，其速度将保持不变。
这个速度被称为正离子的漂移速度，可以通过牛顿第二定律和库仑定律推导得到。
正离子的漂移速度与外电场的强度成正比。
对于负离子来说，它们会受到电场力的阻碍，因此会减速向内移动。
当负离子与电场力平衡时，其速度将保持不变。
负离子的漂移速度与外电场的强度成正比，并且比正离子的漂移速度小。
这是因为负离子的质量通常比正离子大，所以负离子在受到同样的电场力时，由于惯性的存在，其减速的程度更大。
除了电场力的作用外，离子在电场中还会受到其他的力的影响，如空气阻力等。
空气阻力的存在会对离子的漂移速度产生影响，使其波动。
如果空气阻力很大，离子的运动速度就会减小，从而影响到离子的电迁移。
另外，离子晕中的离子电迁移还受到扩散效应的影响。
离子在空气中的扩散是随机的，即离子会随机地向各个方向扩散。
扩散效应会造成离子的漂移速度的变化，并增加离子的运动范围。
总之，外电场的作用会促使离子晕中的离子发生电迁移。
离子的电迁移速度与外电场的强度和离子的带电性质（正离子或负离子）有关。
除了电场力的作用外，离子的电迁移还受到空气阻力和扩散效应的影响。
对离子的电迁移的理解对于研究离子晕的形成和特性具有重要意义。
离子与电子漂移运动研究方法的讨论
离子与电子漂移运动研究方法的讨论离子与电子漂移运动是研究物质中带电粒子运动规律的重要内容，它在材料科学、物理化学、电子学等领域有着广泛的应用。
为了深入研究离子与电子漂移运动，需要采用多种实验方法和理论模型进行研究。
下面将讨论一些常用的研究离子与电子漂移运动的方法。
一、实验方法：1.时间漂移谱方法：时间漂移谱是一种主要研究离子与电子漂移运动的实验方法。
该方法通过测量带电粒子在电场中的漂移时间和漂移距离，可以获得带电粒子的漂移速度和迁移率。
时间漂移谱方法广泛应用于离子迁移率测量、电子迁移率测量、材料能带结构测量等研究领域。
2.空间电荷限制法：空间电荷限制法是一种通过对空间电荷限制下的离子和电子运动进行实验研究的方法。
该方法将离子或电子束束流密度增加到达临界值时，离子和电子之间发生空间电荷排斥，从而影响带电粒子的漂移行为。
通过测量离子或电子束束流密度随时间的变化，可以获得带电粒子的漂移速度和迁移率等信息。
3.二维电子气体研究方法：二维电子气体是一种将电子限制在一个二维平面上，在垂直方向上形成由势垒限制的电子系统。
通过对二维电子气体进行研究，可以获得电子的迁移率、电子-声子相互作用等信息。
常用的二维电子气体研究方法包括霍尔效应测量、光电子发射测量、电子输运测量等。
二、理论模型：1.长程库伦散射模型：长程库伦散射模型是一种研究离子与电子漂移运动的理论模型。
该模型考虑了库伦势的作用，通过求解带电粒子在电场中的运动方程，可以得到带电粒子的漂移速度和迁移率等物理量。
2.多体碰撞模型：多体碰撞模型是一种研究离子与电子漂移运动的理论模型。
该模型考虑了带电粒子与周围粒子之间的碰撞作用，通过求解碰撞方程，可以得到带电粒子的漂移速度和迁移率等物理量。
3.对流扩散模型：对流扩散模型是一种研究离子与电子漂移运动的理论模型。
该模型考虑了带电粒子在电场驱动下的漂移行为以及由于热运动引起的扩散行为，通过求解对流扩散方程，可以得到带电粒子的漂移速度、迁移率以及扩散系数等物理量。
高压气体电离室中离子漂移速度的实验测量
子 迁 移 率 为 ０ ０ ８１ ０ ０ ９６ ｃ ・ ・ ， 外 推 计 算 出 ０ １ＭＰ 氙 气 中 氙 离 子 迁 移 率 为 ０ ７ ～ ． １ ～ ． １ ｍ Ｖ Ｓ 并 ． ａ ．２
０ ７ ｍ ・Ｖ ・Ｓ 。 与 文 献 资 料 中 的测 量 结 果 一 致 。 ． ８ｃ ＿， 关 键 词 ： 压 气 体 电离 室 ； 子 漂 移 速 度 ｝ 子 迁 移 率 高 离 离
ｃ ｒｅ ｕ ｒ ｎｔｐｕｌｅ ｓ ｇ ｌｏｆｉ ｎｉａ ｉ ｎ ｃ ｍ ｂｅ ｉｌ ｄ ｗ ｉｈ ４ Ｍ Ｐａ ｘｅ ｏ ｉ ｅ ｎｔ ｇｒ ｔｏｎ ｓ ｉ ｎａ ｏ ｚ ｔｏ ｈａ ｒ ｆｌｅ ｔ ｎ ｎ ｂｙ ｆｘ ｄ ｉ ｅ ａ ｉ ｔｍ ｅ ｉ ｅ ａ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｎｄ ｔ ｐ ｎ ｉ ｅ ａ ｉ ｔｍ ｅ ｎｔ ｇ ａ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ． Ｔ ｈｅ ｉ ｎｔ ｇｒ ｌ ａｕｅ ｎ ａ ｓ ｅ ｐｉ ｇ ｎｔ ｇｒ ｔｏｎ ｉ ｉ ｅ ｒ ｌ ａ ｕｅ ｎｔ
ｒｊ
＿ 一
汪青海， 王立强， 健 郑
（ 华 大 学 核 能 与 新 能 源 技 术 研 究 院 ， 京 １ ０ ８ ） 清 北 ０ ０ ４
摘 要 ： 出 了一 种 在 高 气 压 下 电 离 室 离 子 漂 移 速 度 的测 量 方 法 ， 行 了 理 论 分 析 ， 建电流 积 分 放 大 器 对 充 有 ４Ｍ Ｐ ａ氙 气 的 高 压 气 体 电离 室输 出 电 流 脉 冲信 号分 别 进 行 等 间 隔 积 分 时 间 和步 进 积 分 时 间 采 集 测 量 ， 据 理 论 分 析 对 测 量 数 据 分 别 进 行 二 次 和 三 次 曲线 拟 合 。通 过 拟 根 合 曲线 系 数 间 的 比 例 关 系 计 算 出 离 子 漂 移 时 间 ， 据 电离 室 结 构 和 工 作 条 件 计 算 出 ４ＭＰ 根 ａ氙 气 中 氙 离
电化学中离子移动方向
电化学中离⼦移动⽅向电化学中离⼦移动⽅向在学习电化学过程中，不少学⽣对于电解质溶液中离⼦的移动⽅向的很迷惑，溶液中的离⼦是如何运动迁移？⼤都认为“溶液中阳离⼦均向正极定向迁移，⽽阴离⼦则向负极定向迁移”。
我认为只是⼀般条件下的结论，在特定环境条件下的迁移？值得探究、榷商。
⾸先要了解电解质溶液的导电特征；其次了解离⼦的电迁移。
作为离⼦导体的电解质溶液是由离⼦的定向移动来实现导电，在电场⼒作⽤下正、负离⼦分别作定向运动。
电化学把正、负离⼦在电场⼒作⽤下定向移动的现象称为电迁移。
下⾯就⼏种典型类型做进⼀步的探究：⼀、原电池中离⼦定向移动电池外电路是电流从正极流向负极，⽽内电路则相反，由负极流向正极，因此正电荷是从负极流向正极(阳离⼦往正极移动)。
这只是⼀般规律，⽽本质不能简单地认为原电池内电路就是阳离⼦往正极移动，阴离⼦往负极移动。
以铜锌原电池为例，Cu作正极，锌作负极，硫酸做电解质溶液。
正极反应：2H＋＋ 2e- = H2↑负极反应：Zn － 2e- = Zn2＋对于正极来说，H ＋不停的得到电⼦，⽣成H2，从⽽使得正极附近的H＋浓度减⼩，破坏⽔的电离平衡，OH－浓度增⼤，⽽浓度相对较⾼的负极附近的H ＋往正极⽅向移动；对负极⽽⾔，不停地⽣成Zn2＋，使得负极附近的锌离⼦浓度不断的增⼤，Zn 2＋向正极迅速扩散，也会往正极移动。
另外， SO42－不可能在负极聚集，因为溶液中的硫酸根离⼦不参加反应，整个溶液中硫酸根离⼦没有变化。
阴阳离⼦移动的“动⼒”是：离⼦分布不均与电荷分布不均造成的。
如：正极附负近H ＋氢离⼦要放电，使铜极周围H＋减少，整个溶液中就有了H ＋浓度差，周围空间H＋浓度⼤就去补充铜电极周围那⾥的H＋，溶液中H＋以正极为中⼼，周围的H ＋都向正极移动；那么Zn2＋在负极周围⽣成，向周围扩散。
氧根离⼦呢？因为正极区氢离⼦减少(放电消耗)所以该处OH －浓度偏⼤，即以正极为中⼼向周围扩散。
SO42－因为电池的动⼒(氧化还原反应)根本没有引起SO42－浓度的局部变化，所以也就没有了SO42－的定向移动，所以正负极附近基本保持不变。
电子离子间相对漂移激发静电波的粒子模拟研究
电子离子间相对漂移激发静电波的粒子模拟研究
赵波;郭俊
【期刊名称】《青岛科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(035)006
【摘要】利用一维静电粒子模拟方法,研究了电子离子双流激发的静电波.研究结果表明,当离子的温度大于电子的温度时,如果电子离子之间的相对漂移速度足够大,将会激发较强的朗缪尔波.在非线性阶段,具有较小波数的Buneman不稳定性被激发.电子的分布函数表明,这些波动是由速度较高的电子束流激发.随着电子的初始漂移速度的增大,电子的加热效果变得更加明显,这意味着更多的高能电子产生.
【总页数】4页(P636-639)
【作者】赵波;郭俊
【作者单位】青岛科技大学自动化与电子工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学数理学院,山东青岛266042
【正文语种】中文
【中图分类】P354
【相关文献】
1.大功率高频无线电波对赤道E区双流不稳定性的影响--PIC静电粒子模拟研究[J], 黄文耿;古士芬
2.带电粒子在磁镜中的重力漂移运动模拟研究 [J], 全军
3.具有双电子束结构的双波段相对论返波振荡器粒子模拟研究 [J], 王挺;张建德;钱宝良
4.光激发作用下分子与多金属纳米粒子间的电荷转移研究∗ [J], 高静;常凯楠;王鹿霞
5.镀银膜光探针尖与银粒子间场增强最佳条件的FDTD模拟研究 [J], 祝雷;吴世法;李亚琴
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2离子电子漂移解析
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加电场的离子漂移和扩散
• 气体中增加电场是探测器对原初电子离子和电子 施加影响的有效办法，带电粒子可以沿着电力线 运动，并可以适当控制速度。 • 离子在扩散的过程中，由于电场的存在而发生统 计性整体上的定向移动。类似于天空中爆开的礼 花在互相爆裂四散的时侯，在风的影响下又随风 漂浮。
2018/10/10 11
10
50
187.6833741
419.6727828
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• 当电场强度增强时，电子的平均速度和能量将 得到提高，但是散射截面提高，平均自由程降 低，反过来抑制能量的升高。
• 电子平均漂移速度和电场之间的关系较复杂， 一般存在饱和现象。 • 随着能量的变化，作用截面发生变化，两次碰 撞之间所需时间变小，总的漂移速度很难计算， 而且有饱和效应（图2.9）
第二章
电子与离子在气体中的运动
•带电能量损失 •离子对产生 •漂移和扩散。
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1
气体探测器
• 优点
– 物质量小、造价低、时间相应快、空间分辨高。
• 历史悠久
– G－M计数管、电离室、正比计数管、云室、气泡室、火花室、多丝正比 室等
• 发挥重要作用
– 宇宙线粒子、Ω-、W±、Z0等
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• 原初电离和总电离是粒子探测器的基础，多数 探测器的原理均基于该原理。
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• 产生的原电离总数和气体原子的原子序数在实 验上呈现正比的特性，这一点也印证了我们使 用气体约化长度的可行性 • 经过相同气压的相同厚度的气体，粒子所遇到 的电子总数和气体的原子序数是成正比的。
DE nt = W
• 经过一段时间之后，由于多次碰撞引起的扩散遵 从高斯分布：
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扩散系数
• D为扩散系数，量级Ar：0.04 cm^2/s
• 线扩散和体扩散的高斯分布的方差分别为：
2Dt
6Dt
• Ar中，每秒钟扩散半径0.5cm量级。虽然离子运动 速度很快，但是因为无规则，扩散速度并不快， 例如，开窗无风的状态下，窗外的空气不会一下 子进入室内。
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灵”了，这种“规律”使探测器效率不能达到100
％。
ed =1- P0n =1- e-n
• 如何产生电离粒子，如何输运电离粒子，如何形
成宏观信号将是人们制造探测器的基本知识……
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4
二、原电离和总电离
• 入 生（射粒势子井导里致捞原出电电离子（）。np)由：电离离子出－的电电子子对再的次产 产生的电离为次级电离，
热能的能量损失殆尽，成为气体热运动的一员。
能量约为 3kT 0.04eV ，能量分布为麦克斯韦能量分
布律
2
F ( ) C e( / kT)
• 经过一段时间之后，由于多次碰撞引起的扩散遵 从高斯分布：
dN 1 ex2 /4Dtdx
N 4Dt
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数据：
热运动时候离子的速度数量级为105cm/s （每秒一公里） 每100纳米平均碰撞一次，每运动厘米碰撞 100000次。 分子的直径一般在0.3纳米左右，间距约为3 纳米。平均每遇到30个其他分子，发生一次 作用。 每秒钟有1010 次碰撞
10
加电场的离子漂移和扩散
• 气体中增加电场是探测器对原初电子离子和电子 施加影响的有效办法，带电粒子可以沿着电力线 运动，并可以适当控制速度。
• 离子在扩散的过程中，由于电场的存在而发生统 计性整体上的定向移动。类似于天空中爆开的礼 花在互相爆裂四散的时侯，在风的影响下又随风 漂浮。Байду номын сангаас
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• 离子平均迁移速度和电场、迁移率的关系
W E
p
• 非常好的线性度，迁移率的数量级约为 1cm^2/vs。
• 一个大气压下电场强度30000v/cm, W=1cm^2/vs*30000v/cm = 30000cm/s
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• 从数量级上看，迁移一定距离后，扩散是很小 的
– 可以阻止探测器内部失控发生大规模的放电。 – 也可能降低收集的电子数量，降低输出信号。
对于设计上不使用负电性气体的探测器，如 果有负电性气体混入则可能导致电信号被部 分或完全损失，使探测器不能工作。
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7
三 离子的扩散（无电场）
• 离子和电子在无外加驱动的状态下，将和气体分
子发生多次随机的碰撞，最后大于气体分子平均
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• 当电场强度增强时，电子的平均速度和能量将 得到提高，但是散射截面提高，平均自由程降 低，反过来抑制能量的升高。
• 电子平均漂移速度和电场之间的关系较复杂， 一般存在饱和现象。
• 随着能量的变化，作用截面发生变化，两次碰 撞之间所需时间变小，总的漂移速度很难计算， 而且有饱和效应（图2.9）
• 经过相同气压的相同厚度的气体，粒子所遇到 的电子总数和气体的原子序数是成正比的。
nt
=
DE W
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• 电子和离子再次相遇可以重新复合成为原来的 分子而放出能量，该能量可以再次被吸收，产 生光电效应，也可能变成被探测物质的热能。
• 电子还可以被负电性分子吸收，他们可以消灭 漂移的电子
• 而且电子能量低容易发生衍射，相互作用概率 比离子小,平均自由程是离子的4倍，因而阻挡 也弱，整体漂移速度快。
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电子能量和速度对比表
电子携带的动能和能损相比微乎其微
electron energy (ev) 0.01 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50
velocity (10000m/s) 5.935069412 13.27121866 18.76833741 41.96727828 59.35069412 132.7121866 187.6833741 419.6727828
2020/11/10
2
一、带电粒子能量损失
• 低能带电粒子在气体中的能损主要由于激发和电离产
生。
可应用Bethe-Bloch公式计算 入射粒子速度、电荷相关 • 激发能损很少，能损会转化为探测物质的热能，某些 实验可通过测量探测器温度的变化来探测该热量的波动。 但是这种做法不能适合高能物理的需要。但是当物质是 混合物时，一种物质激发后，退激发产生的光子，可以 使另一种物质电离，成为penning效应，该效应可以极 大的影响电离放大速度。
• 两 和电粒子离的之沉和积为总总能电量离是(n线t)。性产的生，的因总为电电离离数能量的 统计平均值是是稳定的，和入射粒子，探测材 料相关的。
• 原初电离和总电离是粒子探测器的基础，多数 探测器的原理均基于该原理。
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• 产生的原电离总数和气体原子的原子序数在实 验上呈现正比的特性，这一点也印证了我们使 用气体约化长度的可行性
第二章
电子与离子在气体中的运动
•带电能量损失 •离子对产生 •漂移和扩散。
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1
气体探测器
• 优点
。 – 物质量小、造价低、时间相应快、空间分辨高
• 历史悠久
– G－M计数管、电离室、正比计数管、云室、气泡室、火花室、多丝正比 室等
• 发挥重要作用
– 宇宙线粒子、Ω-、W±、Z0等
– 2000v/cm的电场中，离子迁移1厘米，扩散的大小 为60微米。因此你可以认为离子是沿着电力线运动。
• 由于扩散系数和迁移率成正比（2.8），表明 离子迁移相同的距离后扩散的大小是和气体或 离子无关的，图2.6。
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四 电子的扩散
• 电子平均速度远大于离子，10^7cm/s, 比离子 快100倍，相当于平均能量~0.01eV
• 相比而言，电离产生大能量传递，而且是量子化的。
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3
• 粒子穿过气体的引起的平均电离次数较少，遵
从泊松分布，也就是说，在薄气体层上穿过，粒
子与气体没有发生任何作用的概率都是存在的
Pkn
=
nk k!
e-n
• 有一定的概率，粒子穿过探测器而“忘了”电离
出任何电子来，这对于粒子探测器来说就是“失