| 8695912 9216 5224 943 1напр, освещением. Электроны, поглощая кванты света, переходят в зону проводимости и освобождают места в валентной зоне. Особенность полупроводников: их свойства легко изменяются при сравнительно слабых внешних воздействиях (темп-рой, давлением, освещением, введением примесей и т. п.). На этом основаны многочисл. применения полупроводников (см. Полупроводниковые приборы). Многие свойства полупроводников обусловлены электронами и дырками с энергиями, близкими к "дну" зоны проводимости и "потолку" валентной зоны. Законы дисперсии электронов и дырок определены для большого числа полупроводников.
Электропроводность полупроводников определяется числом n. и подвижностью и( носителей заряда (электронов и дырок): а = E nte2ui. Экспоненциальная зависимость а от темп-ры - следствие экспоненциальной зависимости от Т числа носителей n1. Измерения проводимости, константы Холла, термоэлектрических и термомагнитных характеристик позволили выяснить зависимость от температуры величин nf, Ui и понять основные механизмы торможения электронов и дырок.
В нек-рых полупроводниках (напр., в Те), легированных большим числом примесей, при низких темп-pax наступает вырождение газа носителей, что сближает их с металлами (число носителей перестаёт зависеть от темп-ры, наблюдаются эффекты Шубникова - Де Хааза, Де Хааза - ван Альфена и др.). У ряда полупроводников обнаружена сверхпроводимость. Электроны и дырки, притягиваясь друг к другу, способны образовать систему, подобную позитронию, наз. экситоном Ванье - Мотта. Он обнаруживается по серии водородоподобных линий поглощения света, соответствующих уровням энергии, расположенным в запрещённой зоне полупроводника. В полупроводниках обнаружено большое число явлений, характерных для плазмы (см. Плазма твёрдых тел).
Сильное магнитное поле изменяет свойства полупроводников при низких темп-pax. Здесь область квантовых эффектов цН >> E, где E - средняя энергия электрона (дырки), значительно доступнее, чем в металлах (в полупроводниках Е= кТ, а в металлах Е=Еf). Электронные свойства аморфных тел зависят от того, в какой области (разрешённой или квазизапрещённой) расположен уровень Ферми. Существование в аморфных телах зонной структуры объясняет их деление на металлы, диэлектрики и полупроводники. Наиболее детально изучены аморфные полупроводники (напр., халькогенидные стёкла). Существование квазизапрещённой зоны обнаруживается оптич. исследованиями, к-рые подтверждают "заполнение" запрещённой зоны квазилокальными уровнями ("хвосты" поглощения). Специфич. особенность аморфных полупроводников - "прыжковая" проводимость - объясняет экспоненциальную зависимость подвижности носителей от темп-ры: и ~ е-(То/Т)1/4(закон Мотта, То ~ 106 - 108 К) в условиях, когда вероятность теплового возбуждения мала (при низкой темп-ре). Электрон "выбирает" себе место для "прыжка", так чтобы достигался максимум вероятности перехода из одного состояния в другое.
Диэлектрики. Кристаллы, имеющие только заполненные и пустые электронные энергетические зоны, ведут себя в электрич. поле как изоляторы. Первый возбуждённый уровень находится на конечном расстоянии от основного, причём ширина запрещённой зоны А# порядка неск. эв.Делокализацня электронов в таких Т. т. не играет роли даже при описании электронных свойств, диэлектрики можно считать состоящими из разделённых в пространстве атомов, молекул или ионов. Электрич. поле E, сдвигая заряды, поляризует диэлектрики. Характеристикой поляризации может служить электрич. дипольный момент единицы объёма Р, электрич. индукция D = Е + 4лР или диэлектрическая восприимчивость а, связывающая поляризацию Р и внешнее электрич. поле Е: Р = аЕ. Отсюда е = 1 + 4ла, где е - диэлектрическая проницаемость. В природе отсутствуют вещества с поляризацией Р, направленной против поля Е, и а < 0 (аналоги диамагнетиков). Поэтому всегда е > 1. У обычных диэлектриков дипольный момент появляется лишь во внешнем электрич. поле. При этом б близка к 1 и слабо зависит от темп-ры. У нек-рых диэлектриков частицы обладают спонтанными дипольными моментами, а электрич. поле их ориентирует (ориентационная поляризация), в этом случае при высоких темп-pax е ~ 1/Т. При низких темп-pax дипольные моменты спонтанно ориентируются и вещество переходит в пироэлектрич. состояние (см. Пироэлектрики). Появление спонтанной поляризации сопровождается изменением симметрии кристалла и перестройкой кристаллич. структуры (или ею вызвано) и является фазовым переходом. Если этот переход 2-го рода, то наз. сегнетоэлектрическим. В точке сегнетоэлектрич. перехода Е имеет максимум (см. Сегнетоэлектрики). Особый класс диэлектриков составляют пьезоэлектрики, у к-рых упругие напряжения вызывают поляризацию, пропорциональную им. Только кристаллы, не обладающие центром симметрии, могут быть пьезоэлектриками (см. Пьезоэлектричество).
Диэлектрич. проницаемость меняется с частотой to внешнего электрич. поля. Эта зависимость (дисперсия) проявляется как зависимость от частоты ш фазовой и групповой скоростей распространения света в диэлектрике. Взаимодействие переменного электрич. поля с Т. т. сопровождается переходом энергии этого поля в тепло (диэлектрические потери) и описывается мнимой частью е. Частотная и температурная зависимости Е -следствие диссипативных и релаксационных процессов в Т. т.
Поглощение света диэлектриком можно трактовать как электронное возбуждение фотоном структурной частицы кристалла. Однако возбуждённое состояние не локализуется на определённых атомах или молекулах, а благодаря резонансному взаимодействию соседних частиц движется по кристаллу, за счёт чего уровень энергии расширяется в зону (э к с и т о н Френкеля).
Магнитные свойства Т. т. При достаточно высоких темп-pax Т. т. либо диамагнитны (см. Диамагнетизм), либо парамагнитны (см. Парамагнетизм). В первом случае вектор намагниченности направлен против магнитного поля и его происхождение - результат общей прецессии всех электронов Т. т. с угловой частотой wL= еН/2тс (см. Лармора прецессия). Диамагнитная восприимчивость % пропорциональна среднему квадрату расстояния электронов от ядра и поэтому может служить источником информации о структуре Т. т. Электроны проводимости металлов и полупроводников делокализованы, однако благодаря квантованию их движения в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, они вносят вклад в x, причём у металлов этот вклад того же порядка, что и i ионного остова (диамагнетизм Ландау). Диамагнетизм (общее свойство атомов и молекул) слабо зависит от агрегатного состояния вещества и от темп-ры. Он проявляется только в том случае, если не перекрывается парамагнетизмом.
Парамагнетизм - следствие ориентации магнитных моментов атомов и электронов проводимости (в металле и полупроводнике) магнитным полем. При высоких темп-pax парамагнитная восприимчивость убывает обратно пропорционально темп-ре (Кюри закон); для типичных парамагнетиков при 300 К она = 10~5. Исключение составляют непереходные металлы. Их парамагнитная восприимчивость аномально мала (~ 10-5) и слабо зависит от темп-ры. Это - результат вырождения электронов проводимости (п арамагнетизм Паули). Наличие собств. магнитных моментов у атомов, ионов, электронов и связанное с этим расщепление электронных уровней энергии в магнитном поле (см. Зеемана эффект) приводят к существованию резонансного поглощения энергии переменного магнитного поля (см. Электронный парамагнитный резонанс). Структура магнитных уровней очень чувствительна к сравнительно слабым взаимодействиям (напр., к окружению частиц). Поэтому парамагнетизм (в частности, электронный парамагнитный резонанс) служит одним из важнейших источников сведений о состоянии атомных частиц в Т. т. (о положении в ячейке кристалла, химической связи и т. п.).
При понижении темп-ры парамагнетики (диэлектрики и переходные металлы) переходят в ферро-, в антиферроили ферримагнитное состояния (см. Ферромагнетизм, Антиферромагнетизм, Ферримагнетизм), для к-рых характерно упорядоченное расположение собств. магнитных атомов. Непереходные металлы, как правило, остаются парамагнитными вплоть до Т = 0 К (Li, Na и т. д.). Однако нельзя утверждать, что упорядоченное магнитное состояние - следствие локализации атомных магнитных моментов. Существуют ферромагнитные сплавы (напр., типа ZrZn2), в к-рых ферромагнетизм, по-видимому, полностью обусловлен зонными (делокализованными) электронами. Переходы парамагнитное -ферромагнитное и парамагнитное - антиферромагнитное состояния в большинстве случаев - фазовые переходы 2-го рода. Темп-pa, при к-рой происходит переход в ферромагнитное состояние, наз. темп-рой Кюри Тс, а в анти ферромагнитное - темп-рой Нееля TN. При Т = Тс или Т = TN наблюдаются скачок теплоёмкости, рост магнитной восприимчивости и т. п. Темп-ры Тс и TN для различных T. т. сильно различаются (напр., для Fe Тс =1043 К, для Gd Тс = 289 К, а для Fed TN = 23,5 К). Силы, упорядочивающие магнитные моменты при темп-ре Т < Тс или Т < TN, имеют квантовое происхождение, хотя обусловлены электростати ч. кулоновскими взаимодействиями между атомарными электронами (см. Обменное взаимодействие). Релятивистские (магнитные, спинорбитальные и т. п.) взаимодействия ответственны за анизотропию магнитных свой |
