Горячие электроны

Горя́чие электро́ны, подвижные носители заряда в полупроводнике или металле, распределение которых по энергиям смещено относительно равновесного распределения при данной температуре ${\displaystyle {\boldsymbol {T}}}$ в сторону бо́льших энергий. Носители заряда (электроны и дырки) становятся горячими при протекании электрического тока через проводник под действием достаточно сильного электрического поля.

При протекании тока электрическое поле ускоряет большее число носителей, а тормозит меньшее и тем самым сообщает электронному газу дополнительную энергию. В то же время, если средняя энергия ${\displaystyle {\mathcal {A}}_{\text{ср}}}$ электронов выше равновесного значения (в невырожденном электронном газе ${\displaystyle {\mathcal {A}}_{\text{ср}}={3/2}{\boldsymbol {kT}}}$, ${\displaystyle {\boldsymbol {k}}}$ – постоянная Больцмана), электронный газ передаёт энергию фононам при рассеянии на них. Степень «разогрева» носителей заряда, т. е. увеличение их ${\displaystyle {\mathcal {A}}_{\text{ср}}}$ по сравнению с равновесным значением, зависит от величины электрического поля ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$ и подвижности носителей тока, а также от скорости передачи ими энергии фононам. При температурах ${\displaystyle {\boldsymbol {T}}>{\theta }{\boldsymbol {_{D}}}}$ (${\displaystyle \Theta }{\boldsymbol {_{D}}}$ – температура Дебая) разогрев носителей заряда становится значительным при ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}\geqslant }$ 10³ В/см, а при ${\displaystyle {\boldsymbol {T}}\ll {\theta }{\boldsymbol {_{D}}}}$ – уже при величине ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$ порядка 10^–1 –1В/см.

Разогрев носителей с ростом ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$ приводит к изменению электрической проводимости ${\displaystyle \sigma }$ полупроводника и отклонению его вольт-амперной характеристики от закона Ома. При достаточно сильном падении ${\displaystyle \sigma }$ с ростом электрического поля на вольт-амперной характеристике появляется падающий участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, она становится ${\displaystyle {\boldsymbol {N}}}$–образной (эффект Ганна). В тех же случаях, когда ${\displaystyle \sigma }$ растёт, может наблюдаться ${\displaystyle {\boldsymbol {S}}}$-образная характеристика и как следствие – шнурование тока. Когда при приближении к некоторой величине напряжения ток очень сильно растёт, говорят об электрическом пробое.

Нагрев электронов приводит и к другим эффектам: эмиссии горячих электронов из ненагретых полупроводников, анизотропии электрической проводимости и коэффициента диффузии в кристаллах кубической сингонии в сильных полях, росту и анизотропии электрических флуктуаций.

Горячие электроны возникают также при инжекции носителей заряда из контакта двух проводников под действием приложенного к ним напряжения; при генерации носителей заряда светом с энергией фотонов, превышающей ширину запрещённой зоны полупроводника на величину бо́льшую, чем величины характерной тепловой энергии носителей.