Зонная теория металлов, диэлектриков и полупроводников, страница 7

1. Электроны и дырки. 2. Экситоны. 3. Фотоны. 4. Фононы (колебания атомов решетки). 5. Примесные атомы. 6. Структурные дефекты решетки (дефекты по Френкелю и по Шоттки). 7. Дислокации. 8. Частицы, проходящие через кристалл, например, - лучи.

1. Электроны и дырки.

Согласно существующей точке зрения, свободный электрон, блуждающий по кристаллу, можно рассматривать как нарушение идеальной структуры – несовершенство. Он представляет собой не только особую точку электрического поля и центр рассеяния, но, сверх того, его собственное электрическое поле действует на решетку, приводя к заметным деформациям ее вблизи электрона.

В том случае, когда электрон оторвался от примесного иона, оба они представляют собой несовершенства. Электрон может рекомбинировать с примесным ионом. Этот процесс представляет собой взаимодействие между несовершенствами. Эти взаимодействия играют важную роль в большинстве важнейших явлений в п/п. Среди других взаимодействий электрона с несовершенствами в кристаллах важны следующие: а) взаимодействие с колебаниями решетки (решеточное рассеяние); б) взаимодействие с примесными ионами (примесное рассеяние); в) взаимодействие с дислокациями.

Рассмотрим процесс собственной проводимости. В этом случае свободный электрон и дырка могут появиться благодаря взаимодействию колебаний решетки с атомами решетки. В результате этого взаимодействия энергия колебаний идет на образование пары электрон – дырка.

Непосредственное взаимодействие электронов и дырок может оказаться существенным в p-n переходе. Чтобы устройства, основанные на инжекции  носителей (транзистор) тока, работали хорошо, следует устранить прямую рекомбинацию электронов с дырками.

Теория электронов усложняется благодаря двойственному характеру элементарных частиц в современной физике. В некоторых случаях электроны можно рассматривать как маленькие твердые частицы. В других случаях, например, в зонной теории Блоха, электроны рассматриваются как волны. Теория электронов развивалась в нескольких направлениях. В классической теории Друде – Лорентца использовалось представление об электронах исключительно как о частицах. После появления теории Бора началась эра принципа соответствия, и Зоммерфельд, использовав теорию Друде – Лорентца, ввел в нее некоторые изменения, связанные с принципом Паули. Современная теория Бете – Блоха почти исключительно основана на волновых представлениях. Обычно для описания электронных явлений в п/п пользуются корпускулярной теорией, имея лишь в виду, что в нее надлежит вводить некоторые уточнения, коль скоро она вступает в противоречие с квантовомеханической картиной.

2. Экситоны.

Помимо свободной пары электрон – дырка,  фонон или фотон могут создать также и связанную пару, часто называемую экситоном. Экситон в известном отношении похож на атом водорода. Он может переносить энергию в решетке, но не имеет заряда и не реагирует на электрическое поле. Экситон характеризуется не только своей внутренней структурой (водородоподобной), но сверх того и волновым вектором, импульсом, моментом количества движения. Таким образом, экситон не следует смешивать с примесным центром, которому соответствует локальный энергетический уровень. Экситон представляет собой возбужденное состояние решетки в целом, так как возбуждение может переходить от одного атома к другому.

Представление об экситоне существенно в небольшом числе вопросов теории кристаллов:

1.  В спектре поглощения многих изоляторов (п/п) вблизи основной полосы появляются «линии» поглощения.

2.  Способность фосфоров поглощать свет обязана экситонам.

3.  В теории вторичной эмиссии при подсчете числа вторичных электронов вводится также понятие об экситонах.