Словарь (стр. 3 )

Наличие дефектов и примесей в кри­сталле приводит к возникновению дополнит. (примесных) энергетических уровней в запрещённой зоне. У при­месных ПП эти уровни расположены очень близко либо от валентной зоны (рис. 3, г), либо от зоны проводи­мости (рис. 3, д). Т. т. с аномально малым перекрытием валентной зоны и зоны проводимости наз. полуметал­лами (напр., у Bi ширина перекрытия ~10-5 ширины зоны). Существуют также бесщелевые полупроводники, у к-рых зона проводимости примыкает к валентной: Уровень Ферми у ме­таллов расположен в разрешённой зоне. Ему соответствует изоэнергетич. Ферми поверхность, выделяющая об­ласть заполненных электронных со­стояний в р-пространстве. У ПП уро­вень Ферми расположен в запрещённой

736

зоне. У бесщелевых ПП он совпадает с границей, отделяющей валентную зону от зоны проводимости. Возбуж­дение эл-на в зону проводимости сопровождается образованием свобод­ного места — дырки в валентной зоне. Эл-ны проводимости и дырки явл. носителями заряда в ПП.

В аморфных телах строго запрещён­ных энергетич. зон, по-видимому, нет, но есть квазизапрещённые области, где плотность состояний значительно меньше, чем в разрешённых зонах. Существование в аморфных телах ана­лога зонной структуры объясняет их деление на металлы (см. Металли­ческие стёкла), диэлектрики и ПП в зависимости от того, где (в разре­шённой или квазизапрещённой зонах) расположен уровень Ферми. Наиболее детально изучены аморфные полупро­водники.

Магнитные свойства. При достаточ­но высоких темп-рах все Т. т. диамаг­нитны либо парамагнитны. В первом случае вектор намагниченности M=χH, направленный против магн. поля Н,— результат общей прецессии всех эл-нов Т. т. в магн. поле (см. Лармора прецессия, Диамагнетизм). Диамагн. восприимчивость атомов χ пропорц. среднему квадрату расстоя­ния эл-нов от ядра. Эл-ны проводи­мости благодаря квантованию их дви­жения в плоскости, перпендикуляр­ной Н, также вносят вклад в χ, при­чём у металлов он того же порядка, что магн. восприимчивость ионного остова (Ландау диамагнетизм).

Парамагнетизм - - следствие ори­ентации магн. моментов атомов и эл-нов проводимости в магн. поле. При высоких темп-рах парамагн. вос­приимчивость убывает обратно про­порц. темп-ре (Кюри закон). Непе­реходные металлы составляют исклю­чение. Их парамагн. восприимчивость аномально мала и слабо зависит от темп-ры, что связано с вырождением электронного газа. Наличие магн. моментов у атомов, ионов и эл-нов проводимости и связанное с этим рас­щепление электронных уровней энер­гии в магн. поле приводит к элект­ронному парамагнитному резонансу (ЭПР). Структура магн. уровней очень чувствительна к тому, в каком окру­жении находится ч-ца. Поэтому ЭПР — важнейший источник сведений о расположении атомов в элементар­ной ячейке кристалла, хим. связи, дефектах и т. п.

При понижении темп-ры нек-рые парамагнетики (диэлектрики и пере­ходные металлы) при темп-ре Тс (в точке Кюри) переходят либо в ферро-, либо в антиферромагн. состояния, для к-рых характерна упорядоч. ориен­тация магн. моментов атомов в от­сутствии внеш. поля Н. Непереход­ные металлы, как правило, остаются парамагнитными вплоть до Т=0. Си­лы, упорядочивающие ориентацию магн. моментов, имеют квант. проис­хождение, хотя обусловлены электростатич. вз-ствием между атомарными эл-нами (см: Магнетизм, Ферромаг­нетизм, Антиферромагнетизм, Обмен­ное взаимодействие).

Квантовые представления в физике Т. т. т. в совр. её понимании как квант. физика конденсированных систем, состоящих из огромного числа ч-ц (~1022 в 1 см3), начала формиро­ваться в нач. 20 в. Квант. теория кристаллов разработана подробно, квант. теория аморфных тел слабее.

Одним из осн. результатов квант. подхода к исследованию св-в крист. Т. т. явилась концепция квазичастиц. Энергию возбуждённого состояния кристалла вблизи осн. состояния мож­но представить в виде суммы энергий отд. квазичастиц. Это позволяет вве­сти понятие «газа» квазичастиц и для исследования тепловых, магнит­ных и др. св-в Т. т. использовать методы кинетич. теории газов. Мак­роскопич. хар-ки Т. т. при этом вы­ражаются через хар-ки квазичастиц (длину пробега, скорость и др.). Ква­зичастицы существуют не в свободном пр-ве (как ч-цы в реальных газах), а в крист. решётке, структура к-рой отражается в св-вах квазичастиц. Вве­сти наглядные понятия, аналогичные квазичастицам, для описания воз­буждённых состояний аморфных тел не удаётся.

Можно сформулировать неск. ха­рактерных черт Т. т. как физ. объ­ектов, . состоящих из макроскопич. числа ч-ц.

1)  Атомы,  молекулы  и  ионы  явл. структурными  единицами  Т.  т.  Это означает, что энергия вз-ствия между ними мала по сравнению с энергией, к-рую надо затратить на разрушение самой  структурной  ч-цы.  В  то  же время энергия вз-ствия между ч-цами не мала по сравнению с энергией их теплового  движения,  т.  е.  Т.  т.— система  сильно  взаимодействующих ч-ц.

2)  Согласно классич. законам, сред­няя энергия теплового движения ч-ц ~kT. При высоких темп-рах тепловая энергия  Т.  т.  о≈3NkT  (N — число ч-ц).  Уменьшение  энергии  Т.  т.  с понижением его темп-ры Т идёт быст­рее,  чем  предусматривает  классич. физика.  Это  объясняется  тем,  что дискретный  (квантовый)  хар-р  энер­гетич. спектра Т. т. приводит к «вы­мораживанию»  движений  при  Т →0 К. Чем больше разность энергий между  уровнями,  тем при более  вы­сокой  темп-ре  «вымерзает»  соответ­ствующее движение. Из-за этого разл. движения  в  Т.  т.  существенны  при разл. темп-рах.

3)  Разнообразие сил.  действующих между ч-цами, составляющими Т. т., приводит к тому, что в кристаллах при определ. условиях могут проявляться св-ва  газов,  жидкостей  и  плазмы. Напр.,  металл  можно  рассматривать как  ионный  остов,  погружённый  в электронную  жидкость;  ферромагне­тик при Т>>Тc ведёт себя как газ магн.

стрелок (магн. восприимчивость тв. парамагнетика имеет ту же темпера­турную зависимость, что и газооб­разного); под воздействием эл.-магн. поля высокой частоты электронный газ металлов и ПП ведёт себя как плазма (см. Плазма твёрдых тел).

4)  Движения ат. ч-ц Т. т. разнооб­разны,  и  это  разнообразие  прояв­ляется в разнообразии его св-в. Важ­ную  роль  играет  различие  масс  ат. ч-ц. Т. к. ионы в тысячи раз тяжелев эл-нов,  скорость  движения  ионов  в Т. т. мала по сравнению со скоростью эл-нов. В нек-ром приближении (наз. адиабатическим),  рассмат­ривая движение эл-нов, ионы можно считать  неподвижными, а  движение ионов  определять  усреднёнными  (по быстрому движению) хар-ками эл-нов.

5)  Все  движения  ат.  ч-ц  в  Т.  т. можно разбить на четыре типа. а) Диф­фузия  собственных  или  чужерод­ных  атомов.  В  процессе  колебания кинетич.  энергия  ч-цы  в  результате флуктуации может превысить глубину потенц. ямы, в к-рой она движется,— ч-ца способна «оторваться» от своего положения равновесия.  Обычно веро­ятность  W такого процесса при ком­натной темп-ре крайне мала и возра­стает  с  темп-рой:  W=v0e-U/k,  где v0~1012—1013  с-1.  Величина  U  по­рядка  энергии  связи,  в  расчёте  на одну  ч-цу.  Время  «оседлой»  жизни атома значительно больше, чем время его  перемещения,— атом  совершает редкие  случайные  скачки.  Коэфф. диффузии пропорц.  W. Он возрастает вблизи  Tпл  и  зависит  от  состояния крист. решётки; пластич. деформация «разрыхляет»  кристалл,  снижает  по­тенц.  барьеры,  разделяющие  равно­весные положения атомов, и увеличи­вает  вероятность  их  «перескоков». Диффузия — редкий пример классич. движения атомов в Т. т.

6)  В  исключит.  случаях,  напр.  в твёрдом  Не  (под  давлением),  воз­можно туннельное «просачивание» ато­мов из одного положения равновесия в  другое  (см.  Туннельный  эффект). Этот  процесс,  наз.  квантовой диффузией,  приводит  к  тому, что  коэфф.  диффузии  отличен  от  О при  Т=0К.  Возможность  туннелирования превращает примесные атомы и  вакансии  в  своеобразные  квазича­стицы (примесоны, вакансионы), определяющие св-ва таких т. н. квантовых кристаллов.

в) В Т. т. есть коллективные дви­жения ч-ц ат. масштаба, напр. коле­бания крист. решётки. Простейшее движение — волна с определ. волн. вектором и соответствующей ему ча­стотой. При высоких темп-рах ср. энергия колебания ~kT, а при низ­ких kT (см. Планка закон излу­чения). Пример коллективного дви­жения ат. масштаба другой приро­ды — электронное возбуждение атома

737

(напр., при поглощении эл.-магн. кванта или при повышении темп-ры). Оно не локализуется на определ. узле крист. решётки, а перемещается от узла к узлу (экситон Френкеля). Энергия такого движения порядка энергии возбуждения отд. атома.

Коллективные движения ат. мас­штаба имеют дискретную структуру. Напр., энергия колебания атомов с ча­стотой ω может быть равна ћω, 2ћω, Зћω и т. д. Это позволяет каждому движению сопоставить квазичастицу. Квазичастицы, описывающие колеба­ния атомов,— фононы. В ферро - и антиферромагнетиках вблизи T=0К нарушение магн. порядка в виде волн распространяется по кристаллу (спи­новые волны). Соответствующая ква­зичастица наз. магноном.