Состояния электрона в одномерной решетке. Электроны в кристаллической решетке

На первый взгляд вам может показаться, что обладающий небольшой энергией электрон с превеликим трудом протискивается через твердый кристалл. Атомы в нем уложены так, что их центры отстоят один от другого лишь на несколько ангстрем, а эффективный диаметр атома при рассеянии электронов составляет примерно или около этого. Иначе говоря, атомы, если их сравнивать с промежутками между ними, очень велики, так что можно ожидать, что средний свободный пробег между столкновениями будет порядка нескольких ангстрем, а это практически равно нулю. Следует ожидать, что электрон почти тотчас же влетит в тот или иной атом. Тем не менее перед нами самое обычное явление природы: когда решетка идеальна, электрону ничего не стоит плавно пронестись сквозь кристалл, почти как сквозь вакуум. Странный этот факт - причина того, что металлы так легко проводят электричество; кроме того, он позволил изобрести множество весьма полезных устройств. Например, благодаря ему транзистор способен имитировать радиолампу. В радиолампе электроны движутся свободно через вакуум, в транзисторе они тоже движутся свободно, но только через кристаллическую решетку. Механизм того, что происходит в транзисторе, будет описан в этой главе; следующая глава посвящена применениям этих принципов в различных практических устройствах.

Проводимость электронов в кристалле - один из примеров очень общего явления. Через кристаллы могут странствовать не только электроны, но и другие «объекты». Так, атомные возбуждения тоже могут путешествовать аналогичным способом. Явление, о котором мы сейчас будем говорить, то и дело возникает при изучении физики твердого состояния.

Мы уже неоднократно разбирали примеры систем с двумя состояниями. Представим себе на этот раз электрон, который может находиться в одном из двух положений, причем в каждом из них он оказывается в одинаковом окружении. Предположим также, что имеется определенная амплитуда перехода электрона из одного положения в другое и, естественно, такая же амплитуда перехода обратно, в точности, как в гл. 8, § 1 (вып. 8) для молекулярного иона водорода. Тогда законы квантовой механики приводят к следующим результатам. У электрона возникнет два возможных состояния с определенной энергией, причем каждое состояние может быть описано амплитудой того, что электрон пребывает в одном из двух базисных положений. В каждом из состояний определенной энергии величины этих двух амплитуд постоянны во времени, а фазы меняются во времени с одинаковой частотой. С другой стороны, если электрон сперва был в одном положении, то со временем он перейдет в другое, а еще позже вернется в первое положение. Изменения амплитуды похожи на движение двух связанных маятников.

Рассмотрим теперь идеальную кристаллическую решетку и вообразим, что в ней электрон может расположиться в некоторой «ямке» возле определенного атома, имея определенную энергию. Допустим также, что у электрона имеется некоторая амплитуда того, что он перескочит в другую ямку, которая находится неподалеку, возле другого атома. Это чем-то напоминает систему с двумя состояниями, но с добавочными осложнениями. После того как электрон достигает соседнего атома, он может перейти в совершенно новое место или вернуться в исходную позицию. Все это похоже не столько на пару связанных маятников, сколько на бесконечное множество маятников, связанных между собой. Это чем-то напоминает одну из тех машин (составленных из длинного ряда стержней, прикрепленных к закрученной проволоке), с помощью которых на первом курсе демонстрировалось распространение волн.

Если у вас имеется гармонический осциллятор, связанный с другим гармоническим осциллятором, который в свою очередь связан со следующим осциллятором, который и т.д..., и если вы создадите в одном месте какую-то нерегулярность, то она начнет распространяться, как волна по проволоке. То же самое возникает и в том случае, если вы поместите электрон возле одного из атомов в длинной их цепочке.

Как правило, задачи по механике легче всего решать на языке установившихся волн; это проще, чем анализировать последствия отдельного толчка. Тогда появляется какая-то картина смещений, которая распространяется по кристаллу, как волна с заданной, фиксированной частотой. То же самое происходит с электроном, и по той же причине, потому что электрон описывается в квантовой механике похожими уравнениями.

Но нужно помнить одну вещь: амплитуда для электрона быть в данном месте это амплитуда, а не вероятность. Если бы электрон просто просачивался из одного места в другое, как вода через дырочку, то его поведение было бы совсем иным. Если бы, скажем, мы соединили два бачка с водой тоненькой трубочкой, по которой вода из одного бачка по капле перетекала в другой, то уровни воды выравнивались бы по экспоненте. С электроном же происходит просачивание амплитуды, а не монотонное переливание вероятностей. А одно из свойств мнимого члена (множителя в дифференциальных уравнениях квантовой механики) - что он меняет экспоненциальное решение на колебательное. И то, что после этого происходит, ничуть не походит на то, как вода перетекает из одного бачка в другой.

Теперь мы хотим квантовомеханический случай проанализировать количественно. Пусть имеется одномерная система, состоящая из длинной цепи атомов (фиг. 11.1,а). (Кристалл, конечно, трехмерен, но физика в обоих случаях очень близка; если вы разберетесь в одномерном случае, то сможете разобраться и в том, что бывает в трех измерениях.) Мы хотим знать, что случится, если в эту линию атомов поместить отдельный электрон. Конечно, в реальном кристалле таких электронов мириады. Но большинство их (в непроводящем кристалле почти все) занимает в общей картине движения свое место, каждый вертится вокруг своего атома, и все оказывается совершенно установившимся. А мы хотим рассуждать о том, что будет, если внутрь поместить лишний электрон. Мы не будем думать о том, что делают прочие электроны, потому что будем считать, что на то, чтобы изменить их энергию, потребуется очень много энергии возбуждения. Мы собираемся добавить электрон и создать как бы новый слабо связанный отрицательный ион. Следя за тем, что поделывает этот лишний электрон, мы делаем приближение, пренебрегая при этом внутренним механизмом атомов.

Фиг. 11.1. Базисные состояния электрона в одномерной решетке.

Ясно, что этот электрон сможет перейти к другому атому, перенося в новое место отрицательный ион. Мы предположим, что (в точности, как и в случае электрона, «прыгавшего» от протона к протону) электрон может с какой-то амплитудой «прыгать» от атома к его соседям с любой стороны.

Как же описывать такую систему? Что считать разумными базисными состояниями? Если вы вспомните, что мы делали, когда у электрона было только две возможные позиции, вы сможете догадаться. Пусть в нашей цепочке все расстояния между атомами одинаковы, и пусть мы их пронумеруем по порядку, как на фиг. 11.1,а. Одно базисное состояние - когда электрон находится возле атома №6; другое базисное состояние - когда электрон находится возле №7, или возле №8, и т. д.; -е базисное состояние можно описать, сказав, что электрон находится возле атома №. Обозначим это базисное состояние . Из фиг. 11.1 ясно, что подразумевается под тремя базисными состояниями:

С помощью этих наших базисных состояний можно описать любое состояние нашего одномерного кристалла, задав все амплитуды того, что состояние находится в одном из базисных состояний, т. е. амплитуду того, что электрон расположен близ данного частного атома. Тогда состояние можно записать в виде суперпозиции базисных состояний:

. (11.1)

Кроме того, мы хотим еще предположить, что когда электрон находится близ одного из атомов, то имеется некоторая амплитуда того, что он просочится к тому атому, что слева, или к тому, что справа. Возьмем простейший случай, когда считается, что он может просочиться только к ближайшим соседям, а к следующему соседу он сможет дойти в два приема. Примем, что амплитуды того, что электрон перепрыгнет от одного атома к соседнему, равны (за единицу времени).

Изменим на время обозначения, и амплитуду , связанную с -м атомом, обозначим через . Тогда (11.1) будет иметь вид

Если бы вы знали каждую из амплитуд в данный момент, то, взяв квадраты их модулей, можно было бы получить вероятность того, что вы увидите электрон, взглянув в этот момент на атом .-й ямки. Как обычно, считается постоянным (не зависящим от ).

Для полного описания поведения любого состояния надо для каждой из амплитуд иметь по одному уравнению типа (11.3). Поскольку мы намерены рассмотреть кристалл с очень большим количеством атомов, то допустим, что состояний имеется бесконечно много, атомы тянутся без конца в обе стороны. (При конечном числе атомов придется специально обращать внимание на то, что случается на концах.) А если количество наших базисных состояний бесконечно велико, то и вся система наших гамильтоновых уравнений бесконечна! Мы напишем только часть ее:

(11.4)

§ 6. Рассеяние на нерегулярностях решетки

§ 1. Состояния электрона в одномерной решетке

На первый взгляд вам может показаться, что обладающий небольшой энергией электрон с превеликим трудом протискивается через твердый кристалл. Атомы в нем уложены так, что их центры отстоят один от другого лишь на несколько ангстрем, а эффективный диаметр атома при рассеянии электронов составляет примерно 1Е или около этого. Иначе говоря, атомы, если их сравнивать с промежутками между ними, очень велики, так что можно ожидать, что средний свободный пробег между столкновениями будет порядка нескольких анг­стрем, а это практически равно нулю. Следует ожидать, что электрон почти тотчас же влетит в тот или иной атом. Тем не менее перед нами самое обычное явление природы: когда решетка идеальна, электрону ничего не стоит плавно пронестись сквозь кристалл, почти как сквозь вакуум. Странный этот факт - причина того, что металлы так легко проводят электричество; кроме того, он позволил изобрести множество весьма полезных устройств. Например, благо­даря ему транзистор способен имитировать радиолампу. В радиолампе электроны движутся свободно через вакуум, в транзисторе они тоже движутся свободно, но только через кристал­лическую решетку. Механизм того, что проис­ходит в транзисторе, будет описан в этой главе; следующая глава посвящена применениям этих принципов в различных практических уст­ройствах.

Проводимость электронов в кристалле - один из примеров очень общего явления. Через кристаллы могут странствовать не только электроны, но и другие «объекты». Так, атомные возбуждения тоже могут путешествовать аналогичным способом. Явление, о котором мы сейчас будем говорить, то и дело возникает при изучении физики твердого состояния.

Мы уже неоднократно разбирали примеры систем с двумя состояниями. Представим себе на этот раз электрон, который может находиться в одном из двух положений, причем в каждом из них он оказывается в одинаковом окружении. Предположим также, что имеется определенная амплитуда перехода электрона из одного положения в другое и, естественно, такая же ампли­туда перехода обратно, в точности, как в гл. 8, § 1 (вып. 8) для молекулярного иона водорода. Тогда законы квантовой механики приводят к следующим результатам. У электрона возникнет два возможных состояния с определенной энергией, причем каждое состояние может быть описано амплитудой того, что электрон пребывает в одном из двух базисных положений. В каждом из состояний определенной энергии величины этих двух амплитуд постоянны во времени, а фазы меняются во вре­мени с одинаковой частотой. С другой стороны, если электрон сперва был в одном положении, то со временем он перейдет в другое, а еще позже вернется в первое положение. Изменения амплитуды похожи на движение двух связанных маятников.

Рассмотрим теперь идеальную кристаллическую решетку и вообразим, что в ней электрон может расположиться в неко­торой «ямке» возле определенного атома, имея определенную энергию. Допустим также, что у электрона имеется некоторая амплитуда того, что он перескочит в другую ямку, которая на­ходится неподалеку, возле другого атома. Это чем-то напоминает систему с двумя состояниями, но с добавочными осложнениями. После того как электрон достигает соседнего атома, он может перейти в совершенно новое место или вернуться в исходную позицию. Все это похоже не столько на пару связанных маят­ников, сколько на бесконечное множество маятников, связанных между собой. Это чем-то напоминает одну из тех машин (со­ставленных из длинного ряда стержней, прикрепленных к за­крученной проволоке), с помощью которых на первом курсе демонстрировалось распространение волн.

Если у вас имеется гармонический осциллятор, связанный с другим гармоническим осциллятором, который в свою оче­редь связан со следующим осциллятором, который и т.д..., и если вы создадите в одном месте какую-то нерегулярность, то она начнет распространяться, как волна по проволоке. То же самое возникает и в том случае, если вы поместите электрон возле одного из атомов в длинной их цепочке.

Как правило, задачи по механике легче всего решать на языке установившихся волн; это проще, чем анализировать послед­ствия отдельного толчка. Тогда появляется какая-то картина смещений, которая распространяется по кристаллу, как волна с заданной, фиксированной частотой. То же самое происходит с электроном, и по той же причине, потому что электрон описывается в квантовой механике похожими уравнениями.

Но нужно помнить одну вещь: амплитуда для электрона быть в данном месте это амплитуда, а не вероятность. Если бы электрон просто просачивался из одного места в другое, как вода через дырочку, то его поведение было бы совсем иным. Если бы, скажем, мы соединили два бачка с водой тоненькой трубоч­кой, по которой вода из одного бачка по капле перетекала в другой, то уровни воды выравнивались бы по экспоненте. С электроном же происходит просачивание амплитуды, а не монотонное переливание вероятностей. А одно из свойств мнимого члена (множителя i в дифференциальных уравнениях квантовой механики) - что он меняет экспоненциальное реше­ние на колебательное. И то, что после этого происходит, ничуть не походит на то, как вода перетекает из одного бачка в другой.

Теперь мы хотим квантовомеханический случай проанали­зировать количественно. Пусть имеется одномерная система, состоящая из длинной цепи атомов (фиг. 11.1,а).

Фиг. 11.1. Базисные состояния электрона в одномерной решетке.

(Кристалл, конечно, трехмерен, но физика в обоих случаях очень близка; если вы разберетесь в одномерном случае, то сможете разоб­раться и в том, что бывает в трех измерениях.) Мы хотим знать, что случится, если в эту линию атомов поместить отдельный электрон. Конечно, в реальном кристалле таких электронов мириады. Но большинство их (в непроводящем кристалле почти все) занимает в общей картине движения свое место, каждый вертится вокруг своего атома, и все оказывается совершенно установившимся. А мы хотим рассуждать о том, что будет, если внутрь поместить лишний электрон. Мы не будем думать о том, что делают прочие электроны, потому что будем считать, что на то, чтобы изменить их энергию, потребуется очень много энергии возбуждения. Мы собираемся добавить электрон и соз­дать как бы новый слабо связанный отрицательный ион. Следя за тем, что поделывает этот лишний электрон, мы делаем при­ближение, пренебрегая при этом внутренним механизмом атомов.

Ясно, что этот электрон сможет перейти к другому атому, перенося в новое место отрицательный ион. Мы предположим, что (в точности, как и в случае электрона, «прыгавшего» от протона к протону) электрон может с какой-то амплитудой «прыгать» от атома к его соседям с любой стороны.

Как же описывать такую систему? Что считать разумными базисными состояниями? Если вы вспомните, что мы делали, когда у электрона было только две возможные позиции, вы сможете догадаться. Пусть в нашей цепочке все расстояния между атомами одинаковы, и пусть мы их пронумеруем по по­рядку, как на фиг. 11.1,а . Одно базисное состояние - когда электрон находится возле атома № 6; другое базисное состоя­ние - когда электрон находится возле № 7, или возле № 8, и т. д.; n -е базисное состояние можно описать, сказав, что элект­рон находится возле атома № п. Обозначим это базисное со­стояние |n >. Из фиг. 11.1 ясно, что подразумевается под тремя базисными состояниями:

С помощью этих наших базисных состояний можно описать любое состояние |j> нашего одномерного кристалла, задав все амплитуды n|j> того, что состояние |j> находится в одном из базисных состояний, т. е. амплитуду того, что электрон распо­ложен близ данного частного атома. Тогда состояние |j> можно записать в виде суперпозиции базисных состояний:

Кроме того, мы хотим еще предположить, что когда электрон находится близ одного из атомов, то имеется некоторая ампли­туда того, что он просочится к тому атому, что слева, или к тому, что справа. Возьмем простейший случай, когда счи­тается, что он может просочиться только к ближайшим соседям, а к следующему соседу он сможет дойти в два приема. Примем, что амплитуды того, что электрон перепрыгнет от одного атома к соседнему, равны iA/h (за единицу времени).

Изменим на время обозначения, и амплитуду n|j>, свя­занную с n -м атомом, обозначим через С n . Тогда (11.1) будет иметь вид

Если бы вы знали каждую из амплитуд С n в данный момент, то, взяв квадраты их модулей, можно было бы получить вероят­ность того, что вы увидите электрон, взглянув в этот момент на атом п.

Но что сталось бы чуть позже? По аналогии с изученными нами системами с двумя состояниями мы предлагаем составить гамильтоновы уравнения для этой системы в виде уравнений такого типа:

Первый справа коэффициент Е 0 физически означает энергию, которую имел бы электрон, если бы он не мог просачиваться от одного атома к другим. (Совершенно неважно, что мы назовем, Е 0 ; мы неоднократно видели, что реально это не означает ничего, кроме выбора нуля энергии.) Следующий член представляет амплитуду в единицу времени того, что электрон из (n +1)-й ямки просочится в n -ю ямку, а последний член означает ампли­туду просачивания из (n -1)-й ямки. Как обычно, А считается постоянным (не зависящим от t).

Для полного описания поведения любого состояния |j> надо для каждой из амплитуд С n иметь по одному уравнению типа (11.3). Поскольку мы намерены рассмотреть кристалл с очень большим количеством атомов, то допустим, что состоя­ний имеется бесконечно много, атомы тянутся без конца в обе стороны. (При конечном числе атомов придется специально обращать внимание на то, что случается на концах.) А если ко­личество N наших базисных состояний бесконечно велико, то и вся система наших гамильтоновых уравнений бесконечна! Мы напишем только часть ее:

§ 2. Состояния определенной энергии

Об электроне в решетке мы теперь уже можем узнать очень многое. Для начала попробуем отыскать состояния определен­ной энергии. Как мы видели в предыдущих главах, это означает, что надо отыскать такой случай, когда все амплитуды меняются с одной частотой, если только они вообще меняются. Мы ищем решение в виде

Комплексное число а n говорит нам о том, какова не зависящая от времени часть амплитуды того, что электроны будут об­наружены возле n -го атома. Если это пробное решение подставить для проверки в уравнения (11.4), то получим

Перед нами бесконечное число уравнений для бесконечного количества неизвестных а n ! Ситуация тяжелая!

Но мы знаем, что надо только взять детерминант... нет, по­годите! Детерминанты хороши, когда уравнений два, три или четыре. Но здесь их очень много, даже бесконечно много, и вряд ли от детерминантов будет толк. Нет, лучше попробовать решать эти уравнения прямо. Во-первых, пронумеруем положения атомов; будем считать, что n- йатом находится в х n , а (n+ 1)-й- в х n + 1 . Если расстояние между атомами равно b (как на фиг. 11.1), то х n + 1 =х n +b. Взяв начало координат в атоме номер нуль, можно даже получить х n =nb. Уравнение (11.5) можно тогда переписать в виде

а уравнение (11.6) превратится в

Пользуясь тем, что x n + 1 =x n +b, это выражение можно также записать в виде

Это уравнение немного походит на дифференциальное. Оно говорит, что величина а(х) в точке х n связана с той же физиче­ской величиной в соседних точках х n ±b. (Дифференциальное уравнение связывает значения функции в точке с ее значениями в бесконечно близких точках.) Может быть, здесь подойдут методы, которыми мы обычно пользуемся для решения диффе­ренциальных уравнений? Попробуем.

Решения линейных дифференциальных уравнений с по­стоянными коэффициентами всегда могут быть выражены через экспоненты. Попробуем и здесь то же самое; в качестве пробного решения выберем

Тогда (11.9) обратится в

Сократим на общий множитель ; получим

Два последних члена равняются 2А coskb, так что

E=E 0 -2Acoskb. (11.13)

Мы обнаружили, что при любом выборе постоянной k имеется решение, энергия которого дается этим уравнением. В зависи­мости от k получаются различные возможные энергии, и каж­дая k соответствует отдельному решению. Решений бесконечно много, но это и не удивительно, ведь мы исходим из беско­нечного числа базисных состояний.

Посмотрим, каков смысл этих решений. Для каждой k уравнение (11.10) дает свои а. Тогда амплитуды обращаются в

причем нужно помнить, что энергия Е также зависит от k в сог­ласии с уравнением (11.13). Множитель дает пространст­венную зависимость амплитуд. Амплитуды при переходе от атома к атому колеблются.

При этом имейте в виду, что колебания амплитуды в прост­ранстве комплексны, модуль ее вблизи любого атома один и тот же, а фаза (в данный момент) от атома к атому сдвигается на ikb. Чтобы можно было видеть, что происходит, поставим у каж­дого атома вертикальную черточку, равную вещественной части амплитуды (фиг. 11.2).

Фиг. 11.2. Изменение вещественной части С n с х n .

Огибающая этих вертикалей (по­казанная штрихованной линией) является, конечно, косинусо­идой. Мнимая часть С n - это тоже колеблющаяся функция, но она сдвинута по фазе на 90° , так что квадрат модуля (сумма квадратов вещественной и мнимой частей) у всех С один и тот же.

Итак, выбирая k, мы получаем стационарное состояние с определенной энергией Е. И в каждом таком состоянии элект­рону одинаково вероятно оказаться около любого из атомов, никаких преимуществ у одного атома перед другим нет. От атома к атому меняется только фаза. Фазы меняются еще и со време­нем. Из (11.14) следует, что вещественная и мнимая части распространяются по кристаллу, как волны, как веществен­ная и мнимая части выражения

Волна может двигаться либо к положительным, либо к отрица­тельным х, смотря по тому, какой знак выбран для k.

Заметьте, что мы предположили, что поставленное в нашем пробном решении (11.10) число k есть число вещественное. Теперь видно, почему в бесконечной цепочке атомов так и долж­но быть. Пусть k было бы мнимым числом -ik". Тогда амплитуды а n менялись бы, как , что означало бы, что амплитуда растет все выше и выше, когда х возрастает, или при k" отрицательном, когда х становится большим отрицательным числом. Такой вид решения был бы вполне хорош, если бы цепочка атомов на чем-то кончалась, но в бесконечной цепи атомов это не может быть фи­зическим решением. Оно привело бы к бесконечным амплиту­дам и, стало быть, к бесконечным вероятностям, которые не могут отражать действительного положения вещей. Позже мы встретимся с примером, когда и у мнимых k есть смысл.

Соотношение (11.13) между энергией Е и волновым числом k изображено на фиг. 11.3.

Фиг. 11.3. Энергия стационарных состояний как функция параметра k.

Как следует из этого рисунка, энергия может меняться от Е 0 - 2А при k =0 до Е 0 + 2А при k= ±p //b. График начерчен для положительных А, при отрица­тельных А кривую пришлось бы перевернуть, но область изменения осталась бы прежней. Существенно то, что в некоторой области, или «полосе» энергий допустимы любые значения энергии; вне полосы энергии быть не может. Из наших пред­положений следует, что если электрон в кристалле находится в стационарном состоянии, энергия его не сможет оказаться вне этой полосы.

Согласно (11.10), меньшие k отвечают более низким энергети­ческим состояниям Е»Е 0 - 2А. Когда k по величине растет (все равно, в положительную или отрицательную сторону), то энергия сперва растет, а потом при k =±p //b достигает ма­ксимума, как показано на фиг. 11.3. Для k, больших, чем p //b, энергия опять начала бы убывать. Но такие k рассматривать не стоит, они не приведут к каким-либо новым состояниям, а просто повторяют те состояния, которые уже появлялись при меньших k. Вот как в этом можно убедиться. Рассмотрим со­стояние наинизшей энергии, для которого k= 0. Тогда при всех х n коэффициент а (х n ) будет один и тот же [см. (11.10)1. Та же самая энергия получилась бы и при k = 2p //b. Тогда из

(11.10) следовало бы

Но, считая, что начало координат приходится на х 0 , можно по­ложить х n = nb, и тогда а (х n ) превратится в

т. е. состояние, описываемое этими а (х n ), физически ничем не будет отличаться от состояний при k= 0. Оно не представляет особого решения.

В качестве другого примера возьмем k=p /4b . Веществен­ная часть а (х n ) изображена на фиг. 11.4 кривой 1.

Фиг. 11.4. Пара значений к, представляющих одну и ту же физическую ситуацию. Кривая 1-для k=p/4b, кривая 2 -для k=7p/4b.

Если бы k было в семь раз больше (k=7p //4b), то вещественная часть а (х n ) менялась бы так, как показано на кривой 2. (Сама коси­нусоида смысла не имеет, важны только ее значения в точках х n .

Кривые нужны просто для того, чтобы было видно, как все меняется.) Вы видите, что оба значения k во всех х n дают одинаковые амплитуды.

Вывод из всего этого состоит в том, что все возможные реше­ния нашей задачи получатся, если взять k только из некоторой ограниченной области. Мы выберем область от -p/b до +p/b (она показана на фиг. 11.3). В этой области энергия стационар­ных состояний с ростом абсолютной величины k возрастает.

Еще одно побочное замечание о том, с чем было бы забавно повозиться. Представьте, что электрон может не только пере­прыгивать к ближайшим соседям с амплитудой iA/h, но имеет еще возможность одним махом перепрыгивать и к следующим за ними соседям с некоторой другой амплитудой iB/h. Вы опять обнаружите, что решение можно искать в форме а п =e ikx , этот тип решений является универсальным. Вы также увидите, что стационарные состояния с волновым числом k имеют энер­гию E 0 -2A cos kb- 2B cos2kb. Это означает, что форма кривой Е как функции k не универсальна, а зависит от тех частных до­пущений, при которых решается задача. Это не обязательно косинусоида, и она даже не обязательно симметрична относи­тельно горизонтальной оси. Но зато всегда верно, что кривая вне интервала (-p/b , p/b ) повторяется, так что заботиться о других значениях k не нужно.

Посмотрим еще внимательнее на то, что происходит при малых k, когда вариации амплитуд между одним х n и соседним очень маленькие. Будем отсчитывать энергию от такого уровня, чтобы было Е 0 = 2А; тогда минимум кривой фиг. 11.3 придется на нуль энергии. Для достаточно малых k можно написать

и энергия (11.13) превратится в

Получается, что энергия состояния пропорциональна квадрату волнового числа, описывающего пространственные вариации

амплитуд С n .

§ 3. Состояния, зависящие от времени

В этом параграфе мы хотим подробнее обсудить поведение состояний в одномерной решетке. Если для электрона амплитуда того, что он окажется в х n , равна С n , то вероятность найти его там будет |С n | 2 . Для стационарных состояний, описанных уравнением (11.12), эта вероятность при всех х n одна и та же и со временем не меняется. Как же отобразить такое положение вещей, кото­рое грубо можно было бы описать, сказав, что электрон определенной энергии сосредоточен в определенной области, так что более вероятно найти его в каком-то одном месте, чем в другом? Этого можно добиться суперпозицией нескольких решений, похожих на (11.12), но со слегка различными значениями k и, следовательно, с различными энергиями. Тогда, по крайней мере при t =0, амплитуда С n вследствие интерференции раз­личных слагаемых будет зависеть от местоположения, в точности так же, как получаются биения, когда имеется смесь волн раз­ной длины [см. гл. 48 (вып. 4)]. Значит, можно составить такой «волновой пакет», что в нем будет преобладать волновое число k 0 , но будут присутствовать и другие волновые числа, близкие к k 0 .

В нашей суперпозиции стационарных состояний амплитуды с разными k будут представлять состояния со слегка различ­ными энергиями и, стало быть, со слегка различными частотами; интерференционная картина суммарного С n поэтому тоже будет меняться во времени, возникнет картина «биений». Как мы ви­дели в гл. 48 (вып. 4), пики биений [места, где |С(x n )| 2 наи­большие] с течением времени начнут двигаться по х; скорость их движения мы назвали «групповой». Мы нашли, что эта груп­повая скорость связана с зависимостью k от частоты формулой

все это в равной мере относится и к нашему случаю. Состояние электрона, имеющее вид «скопления», т. е. состояние, для кото­рого С n меняется в пространстве так, как у волнового пакета на фиг. 11.5, будет двигаться вдоль нашего одномерного «кристалла» с быстротой v, рапной dw/dk, где w=E/h .

Фиг. 11.5. Вещественная часть С(х n ) как функция х для суперпозиции нескольких состояний с близкими энергиями.

Подстав­ляя (11.16) вместо Е, получаем

Иными словами, электроны движутся по кристаллу с быстротой, пропорциональной самому характерному k. Тогда, согласно (11.16), энергия такого электрона пропорциональна квадрату его скорости, он ведет себя подобно классической частице. Пока мы рассматриваем все в столь крупном масштабе, что никаких тонкостей строения разглядеть не можем, наша квантовомеханическая картина приводит к тем же результатам, что и клас­сическая физика.

В самом деле, если из (11.18) найти k и подставить его в (11.16), то получится

где m эфф - постоянная. Избыточная «энергия движения» элект­рона в пакете зависит от скорости в точности так же, как и у классической частицы. Постоянная m эфф , именуемая «эффектив­ной массой», дается выражением

Заметьте еще, что можно написать

Если мы решим назвать m эфф v «импульсом», то этот импульс будет связан с волновым числом k так же, как и у свободной частицы.

Не забывайте, что m эфф ничего общего не имеет с реальной массой электрона. Она может быть совсем другой, хотя следует сказать, что в реальных кристаллах часто случается, что ее порядок величины оказывается примерно таким же (в 2 или, скажем, в 20 раз больше, чем масса электрона в пустом про­странстве).

Мы только что с вами раскрыли поразительную тайну - как это электрон в кристалле (например, пущенный в германий добавочный электрон) может пронестись через весь кристалл, может лететь по нему совершенно свободно, даже если ему при­ходится сталкиваться со всеми атомами. Это получается оттого, что его амплитуды, перетекая с одного атома на другой, прокладывают ему путь через кристалл. Вот отчего твердое тело может проводить электричество.

§ 4. Электрон в трехмерной решетке

Еще немного о том, как можно применить те же идеи, чтобы понять, что происходит с электроном в трех измерениях. Резуль­таты оказываются очень похожими. Пусть имеется прямоуголь­ная решетка атомов с расстояниями а, b, с в трех направлениях. (Если вам больше по душе кубическая решетка, примите все расстояния равными друг другу.) Предположим также, что ам­плитуда прыжка к соседу в направлении х есть iA x /h ; ампли­туда прыжка в направлении у есть iA y /h, а амплитуда прыжка в направлении z есть iA z /h. Как же описать базисные состоя­ния? Как и в одномерном случае, одно базисное состояние - это когда электрон находится близ атома с координатами х, у, z, где (х, у, z ) - одна из точек решетки. Если выбрать начало координат в одном из атомов, то все эти точки придутся на

х=n х а, y=n y b и z=n z с,

где n х , n y , n z - три целых числа. Вместо того чтобы ставить при х, у и z их номера, будем просто писать х, у, z, имея в виду, что они принимают лишь такие значения, которые бывают у то­чек решетки. Итак, базисное состояние изображается символом | электрон в х, у, z>, а амплитуда того, что электрон в неко­тором состоянии |y> окажется в этом базисном состоянии, есть

С (х, у, z)=х, у, z |y>.

Как и прежде, амплитуды С (х, у, z) могут меняться во вре­мени. При наших предположениях гамильтоновы уравнения обязаны выглядеть следующим образом:

Хоть это и выглядит громоздко, но вы сразу, конечно, поймете, откуда взялось каждое слагаемое.

Опять попробуем найти стационарное состояние, в котором все С меняются со временем одинаково. И снова решение есть экспонента

Если вы подставите это в (11.22), то увидите, что оно вполне подойдет, если только энергия Е будет связана с k x , k y и k z следующим образом:

Теперь энергия зависит от трех волновых чисел k x , k y , k z , которые, кстати, есть компоненты трехмерного вектора k .

И действительно, (11.23) можно переписать в векторных обо­значениях:

Амплитуда меняется как комплексная плоская волна, которая движется в трехмерном пространстве в направлении k с волно­вым числом k =(k 2 x +k 2 y + k 2 z ) 1/2.

Энергия, связываемая с этими стационарными состояниями, зависит от трех компонент k сложным образом, подчиняясь уравнению (11.24). Характер изменения Е зависит от относи­тельных знаков и величин А х ,А у и А z . Если вся эта тройка положительна и если нас интересуют лишь маленькие k , то зависимость оказывается сравнительно простой.

Разлагая косинус, как и раньше [см. (11.16)], мы теперь придем к

В простой кубической решетке с расстоянием а между узлами следует ожидать, что и А х , и А y , и А г будут все равны друг другу (скажем, равны А), так что получилось бы

А это как раз совпадает с (11.16). Повторяя те же рассуждения, что и тогда, мы пришли бы к заключению, что электронный пакет в трех измерениях (составленный путем суперпозиции множества состояний с почти одинаковыми энергиями) также движется на манер классической частицы, обладающей некото­рой эффективной массой.

В кристалле не с кубической, а с более низкой симметрией (или даже в кубическом кристалле, но таком, в котором состоя­ние электрона около атома несимметрично) три коэффициента А х , А y и A z различны. Тогда «эффективная масса» элект­рона, сосредоточенного в узкой области, зависит от направле­ния его движения. Может, например, оказаться, что у него раз­ная инерция при движении в направлении х и при движении в направлении у. (Детали такого положения вещей иногда описываются с помощью «тензора эффективной массы».)

§ 5. Другие состояния в решетке

Согласно (11.24), состояния электрона, о которых мы гово­рили, могут обладать энергиями только в некоторой энергети­ческой «полосе», простирающейся от наименьшей энергии

Е 0 - 2(А я +А у +А г )

до наибольшей

E 0 + 2(A x +A y +A z ).

Другие энергии тоже возможны, но они принадлежат к другому классу состояний электрона. Для тех состояний, о которых говорилось раньше, мы выбирали такие базисные состояния, когда электрон в атоме кристалла находился в некотором определенном состоянии, скажем в состоянии наинизшей энергии.

Если у вас есть атом в пустом пространстве и вы добавляете к нему электрон, чтобы получился ион, то этот ион можно обра­зовать многими способами. Электрон может расположиться так, чтобы образовать состояние наинизшей энергии, или так, чтобы образовать то или иное из многих возможных «возбуж­денных состояний» иона, каждое с определенной энергией, ко­торая превосходит наинизшее значение. То же может случиться и в кристалле. Допустим, что энергия Е 0 , которой мы пользо­вались выше, соответствует базисным состояниям, представляю­щим собой ионы с наинизшей возможной энергией. Но можно также вообразить новую совокупность базисных состояний, в которых электрон по-иному располагается возле n -го атома: он образует одно из возбужденных состояний иона, так что энергия Е 0 теперь уже становится чуть повыше. Как и раньше, имеется некоторая амплитуда А (отличная от прежней) того, что электрон перепрыгнет из своего возбужденного состояния близ одного атома в такое же возбужденное состояние подле сосед­него атома. И весь анализ проходит, как раньше; мы обнаружим полосу возможных энергий, сосредоточенных вокруг некото­рой высшей энергии. Вообще говоря, таких полос может быть много и каждая будет отвечать своему уровню возбуждения.

Мыслимы и другие возможности. Может существовать неко­торая амплитуда того, что электрон перепрыгнет из возбужден­ного положения возле одного атома в невозбужденное положе­ние близ следующего атома. (Это называется взаимодействием между полосами.) Математическая теория становится все слож­нее и сложнее по мере того, как вы принимаете во внимание все больше и больше полос и добавляете все больше и больше коэф­фициентов просачивания между различными состояниями. Ни­каких новых идей не нужно; но уравнения, как мы видели из нашего простого примера, сильно разрастаются.

Следует еще заметить, что о различных коэффициентах, та­ких, как появляющаяся в теории амплитуда А, сказать можно лишь немногое. Их, как правило, очень трудно подсчитать, и в практических случаях об этих параметрах теоретически бывает очень мало известно; в тех или иных реальных случаях приходится их значения брать из опыта.

Бывают и другие случаи, в которых вся физика и вся мате­матика почти в точности совпадают с тем, что мы обнаружили для электрона, движущегося по кристаллу, но в которых дви­жущийся «объект» совсем не тот. Представим, например, что нашим исходным кристаллом (или, лучше сказать, линейной решеткой) была цепочка нейтральных атомов, у каждого из которых связь с внешним электроном очень слаба. Теперь во­образим, что мы убрали один электрон. У какого из атомов? Пусть С n есть амплитуда того, что электрон исчез у атома, стоящего в точке х n . Вообще говоря, имеется какая-то ампли­туда А того, что электрон от соседнего атома, скажем от (n- 1)-го, перепрыгнет к n -му, оставив свой (n- 1)-й атом без электрона. Это все равно, что сказать, что у «нехватки электро­на» имеется амплитуда А того, что она переберется от n -го атома к (n -1)-му. Легко видеть, что уравнения окажутся такими же, как и раньше, но, конечно, сами А не обязательно останутся прежними. Мы опять придем к тем же формулам для уровней энергии, для «волн» вероятности, которые бегут по кристаллу с групповой скоростью (11.18), для эффективной массы и т. д. Только теперь эти волны описывают поведение недостающего электрона или, как его называют, «дырки». Можно убедиться, что заряд этой частицы будет казаться положительным. В сле­дующей главе мы немного подробнее расскажем об этих дырках. Другой пример. Представим себе цепочку нейтральных атомов, один из которых был приведен в возбужденное состояние, т. е. с более высокой, чем у нормального основного состояния, энергией. Пусть С n - амплитуда того, что n -й атом возбужден. Он может взаимодействовать с соседним атомом, передавая ему свой избыток энергии и возвращаясь в основное состояние. Обозначим амплитуду этого процесса iA/h. Вы видите, что опять повторяется та же математика. Но теперь то, что движется, называется экситоном. Оно ведет себя как нейтральная «части­ца», которая движется через кристалл и несет с собой энергию возбуждения. Существование такого движения можно предпо­лагать в некоторых биологических процессах, таких, как зре­ние или фотосинтез. Была высказана догадка, что поглощение света в сетчатке создает «экситон», который движется через некоторую периодическую структуру [такую, как слои палочек, описанные в гл. 36 (вып. 3); см. там фиг. 36.5] и аккумулирует­ся на некоторых специальных станциях, где эта энергия ис­пользуется для возбуждения химической реакции.

§ 6. Рассеяние па нерегулярностях решетки

Теперь мы хотим рассмотреть одиночный электрон в не­идеальном кристалле. Наш первоначальный анализ привел к выводу, что у идеальных кристаллов и проводимость идеальна, что электроны могут скользить по кристаллу, как по вакууму, без трения. Одной из самых важных причин, способных прекратить вечное движение электрона, является несовершенство кристалла, какая-то нерегулярность в нем. Допустим, что где-то в кристалле не хватает одного атома, или предположим, что кто-то поставил на место, предназначенное для какого-то атома, совсем не тот атом, какой положено, так что в этом месте все совсем не так, как в прочих местах. Скажем, другая энергия Е 0 или другая амплитуда А. Как тогда можно будет описать все происходящее?

Для определенности вернемся к одномерному случаю и до­пустим, что атом номер «нуль» - это атом «загрязнения», «примеси» и у него совсем не такая энергия Е 0 , как у других атомов. Обозначим эту энергию Е 0 +F. Что же происходит? Для электрона, который достиг атома «нуль», есть какая-то вероятность того, что он рассеется назад. Если волновой пакет, мчась по кристаллу, достигает места, где все немного иначе, то часть его будет продолжать лететь вперед, а другая отскочит назад. Анализировать такой случай, пользуясь вол­новым пакетом, очень трудно, потому что все меняется во вре­мени. С решениями в виде установившихся состояний работать много легче. Мы обратимся поэтому к стационарным состоя­ниям; мы увидим, что их можно составить из непрерывных волн, состоящих из двух частей - пробегающей и отраженной. В случае трех измерений мы бы назвали отраженную часть рас­сеянной волной, потому что она разбегалась бы во все стороны.

Исходим из системы уравнений, похожей на (11.6), за одним исключением: уравнение при n= 0 не похоже на остальные. Пятерка уравнений при n =-2,-1, 0, +1 и +2 выглядит так:

Конечно, будут и другие уравнения при |n |>2. Они будут выгля­деть так же, как (11.6).

Нам полагалось бы на самом деле для общности писать разные А, в зависимости от того, прыгает ли электрон к атому «нуль» или же от атома «нуль», но главные черты того, что происходит, вы увидите уже из упрощенного примера, когда все А равны.

Уравнение (11.10) по-прежнему будет служить решением Для всех уравнений, кроме уравнения для атома «нуль» (для него оно не годится). Нам нужно другое решение; соорудим его так. Уравнение (11.10) представляет волну, бегущую в поло­жительном направлении х. Волна, бегущая в отрицательном направлении х, тоже подошла бы в качестве решения. Мы бы написали

Самое общее решение уравнения (11.6) представляло бы собой сочетание волны вперед и волны назад:

Это решение представляет комплексную волну с амплитудой а, бегущую в направлении +х, и волну с амплитудой b, бегущую в направлении -х.

Теперь бросим взгляд на систему уравнений нашей новой задачи: на (11.28) плюс такие же уравнения для остальных атомов. Уравнения, куда входят а n с nЈ- 1, решаются форму­лой (11.29) при условии, что k оказывается связанным с Е и постоянной решетки b соотношением

E=E 0 -2Acoskb. (11.30)

Физический смысл этого таков: «падающая» волна с амплитудой a приближается к атому «нуль» (или «рассеивателю») слева, а «рассеянная» или «отраженная» волна с амплитудой b бежит обратно, т. е. налево. Не теряя общности, можно положить амплитуду a падающей волны равной единице. Тогда ампли­туда b будет, вообще говоря, комплексным числом.

То же самое можно сказать и о решениях а n при nі 1. Коэф­фициенты могут стать иными, так что следовало бы писать

Здесь g - амплитуда волны, бегущей направо, а d - амплитуда волны, приходящей справа. Мы хотим рассмотреть такой физический случай, когда вначале волна бежит только слева, и за рассеивателем (или атомом загрязнения) имеется только «прошедшая» волна. Будем поэтому искать решение, в котором d=0. Стало быть, мы попытаемся удовлетворить всем уравне­ниям для а n , кроме средней тройки в (11.28), с помощью сле­дующих пробных решений:

Положение, о котором идет речь, иллюстрируется фиг. 11.6.

Фиг. 11.6. Волны в одномерной решетке а одним «примесным» атомом в n= 0.

Используя формулы (11.32) для а -1 и а +1 , можно из сред­ней тройки уравнений (11.28) найти а 0 и два коэффициента b и g. Таким образом, мы найдем полное решение. Надо решить три уравнения (полагая x n =nb) :

Вспомните, что (11.30) выражает E через k . Подставьте это значение Е в уравнения и учтите, что

тогда из первого уравнения получится

a 0 =1+b, (11.34)

а из третьего

что согласуется друг с другом только тогда, когда

Это уравнение сообщает нам, что прошедшая волна (g) - это просто исходная падающая волна (1) плюс добавочная волна (b), равная отраженной. Это не всегда так, но при рассеянии на одном только атоме оказывается, что это так. Если бы у вас была целая группа атомов примеси, то величина, добавляемая к волне, бегущей вперед, не обязательно вышла бы такой же, как у отраженной волны.

Амплитуду b отраженной волны мы можем получить из среднего из уравнений (11.33); окажется, что

Мы получили полное решение для решетки с одним необычным

Вас могло удивить, отчего это проходящая волна оказа­лась «выше», чем падавшая, если судить по уравнению (11.34). Но вспомните, что b и g - числа комплексные и что число частиц в волне (или, лучше сказать, вероятность обнаружить частицу) пропорционально квадрату модуля амплитуды. В дей­ствительности «сохранение числа электронов» будет выполнено лишь при условии

|b| 2 +|g| 2 =1. (11.38)

Попробуйте показать, что в нашем решении так оно и есть.

§ 7. Захват нерегулярностями решетки

Бывает и другой интересный случай. Он может возникнуть, когда F число отрицательное. Если энергия электрона в атоме примеси (при n= 0) ниже, чем где-либо в другом месте, то электрон может оказаться захваченным этим атомом. Иначе говоря, если Е 0 +F ниже самого низа полосы (меньше, чем Е 0 - 2А), тогда электрон может оказаться «пойманным» в со­стояние с Е 0 - 2А. Из всего того, что мы делали до сих пор, такое решение не могло получиться. Но это решение можно получить, если в пробном решении (11.15) разрешить k прини­мать мнимые значения. Положим k = ix. Для n n >0 у нас опять будут разные решения. Для n >0 допустимое решение могло бы иметь вид

В экспоненте мы выбрали плюс; иначе амплитуда при больших отрицательных n стала бы бесконечно большой. Точно так же допустимое решение для n >0 имело бы вид

Если подставить эти пробные решения в (11.28), то они удов­летворят всем уравнениям, кроме средней тройки, при условии, что

А раз сумма этих двух экспонент всегда больше 2, то эта энергия оказывается за пределами (ниже) обычной полосы. Это-то мы и искали. Оставшейся тройке уравнений (11.28) удастся удовлетворить, если взять с = с" и если к выбрать так, чтобы

Сопоставив это уравнение с (11.41), найдем энергию захвачен­ного электрона

Захваченный электрон обладает одной-единственной энергией (а не целой полосой); она расположена несколько ниже полосы проводимости.

Заметьте, что амплитуды (11.39) и (11.40) не утверждают, что пойманный электрон сидит прямо в атоме примеси. Вероят­ность обнаружить его у одного из соседних атомов дается квад­ратом этих амплитуд. Изменение ее показано столбиками на фиг. 11.7 (при каком-то наборе параметров).

Фиг. 11.7. Относительные вероятности обнаружить захваченный электрон в атом­ных узлах поблизости от примесного ато­ма - ловушки.

С наибольшей вероятностью электрон можно встретить близ атома примеси. Для соседних атомов вероятность спадает экспоненциально по мере удаления от атома примеси. Это новый пример «проникно­вения через барьер». С точки зрения классической физики элек­трону не хватило бы энергии, чтобы удалиться от энергетиче­ской «дырки» близ центра захвата. Но квантовомеханически он может куда-то недалеко просочиться.

§ 8. Амплитуды рассеяния и связанные состояния

Наш последний пример может быть использован, чтобы проиллюстрировать одну вещь, которая в наши дни очень полезна для физики частиц высокой энергии. Речь идет о связи между амплитудами рассеяния и связанными состояниями. Положим, мы открыли (при помощи опытов и теоретического анализа), как пионы рассеиваются на протонах. Затем откры­вается новая частица и кому-то хочется узнать, не является ли она просто комбинацией из пиона и протона, объединенных в одно связанное состояние (по аналогии с тем, как электрон, будучи связан с протоном, образует атом водорода)? Под связанным состоянием мы подразумеваем комбинацию, энергия которой ниже, чем у пары свободных частиц.

Существует общая теория, согласно которой, если ампли­туду рассеяния проэкстраполировать (или, на математическом языке, «аналитически продолжить») на энергии вне разрешен­ной зоны, то при такой энергии, при которой амплитуда стано­вится бесконечной, возникнет связанное состояние. Физическая причина этого такова. Связанное состояние - это когда имеют­ся только волны, стоящие близ некоторой точки; это состояние не порождается никакой начальной волной, оно просто сущест­вует само по себе. Относительная пропорция между так называе­мыми «рассеянными», или созданными, волнами и волнами, «посылаемыми внутрь», равна бесконечности. Эту идею мы мо­жем проверить на нашем примере. Выразим нашу рассеянную амплитуду (11.37) прямо через энергию Е рассеявшейся частицы (а не через k). Уравнение (11.30) можно переписать в виде

поэтому рассеянная амплитуда равна

Из вывода формулы следует, что применять ее можно только для реальных состояний - для тех, энергия которых попадает в энергетическую полосу, Е=Е 0 +2А. Но представьте, что мы об этом забыли и расширили нашу формулу на «нефизические» области энергии, где | Е-Е 0 |>2A . Для этих нефизических областей можно написать

Тогда «амплитуда рассеяния» (что бы это выражение ни зна­чило) равна

Теперь задаем вопрос: существует ли такая энергия Е, при которой b становится бесконечным (т. е. при которой выраже­ние для b имеет «полюс»)? Да, существует, если только F отри­цательно; тогда знаменатель (11.45) обратится в нуль при

При знаке минус получается как раз то, что мы получили в (11.43) для энергии захваченного электрона.

А как быть со знаком плюс? Он приводит к энергии выше разрешенной полосы энергий. И действительно, существует другое связанное состояние, которое мы пропустили, решая (11.28). Найти энергию и амплитуды а n для этого связанного состояния вам предоставляется самим.

Одним из ключей (причем самых надежных) к разгадке экспе­риментальных наблюдений над новыми странными частицами служит это соотношение между законом рассеяния и связан­ными состояниями.

* Знак корня, который здесь следовало поставить, это технический вопрос, связанный с допустимыми знаками к в (11.39) и (11.40). Мы не будем здесь вдаваться в подробности.

* Только не старайтесь сделать пакет чересчур узким.

Электроны в кристаллической решетке будем рассматривать как идеальный одноатомный газ. Решение уравнения Шредингера для значения энергии электрона можно получить из уравнения Шредингера.

Рассмотрим одномерный случай:

Полагая, что электроны не взаимодействуют между собой:

, - состояние энергии вдоль оси .

Это уравнение по своей форме совпадает с уравнением свободных колебаний. Решение этого уравнения: , где .

Рассмотрим граничные условия:

: будет удовлетворять этому требованию.

С другой стороны при , будет в случае, если .

Аналогично мы получаем:

Полная энергия: , где - параметры или квантовые числа (энергия электрона определяется четырьмя квантовыми числами).

( - спин, квантовое число).

Если рассматривать электронный газ, то спектр разрешенных значений энергии состоит из множества близко расположенных дискретных уровней.

В действительности валентные электроны в кристалле двигаются не вполне свободно. На них действует периодично поле кристаллической решетки. Это приводит к тому, что спектр возможных значений энергии валентных электронов распадается на ряд чередующихся разрешенных и неразрешенных зон. Вместо одного одинакового для всех электронов уровня возникает очень близких, но не совпадающих уровней.

Т.о. каждый уровень изолированного атома распадается в кристалле на густо расположенных уровней, образующих полосу или зону.

на каждом уровне может находиться два электрона за счет .

Существование энергетических зон позволяет объяснить с единой точки зрения существование металлов, полупроводников и диэлектриков.

Разрешенная зон возникает из того уровня, на котором находятся валентные электроны в основном состоянии. Атомы называются валентной зоной. В зависимости от степени заполнения валентной зоны электронами и ширины запрещенной зоны, возможны три случая:

Свободная зона: подуровни не заняты.

Валентная зона: подуровни не все заняты.

В этом случае достаточно сообщить электронам небольшую энергию порядка эВ для того, чтобы перевести их на более высокие уровни.

Дополнительная энергия, вызванная действием на электрон внешнего Эл. поля, оказывается достаточной для перевода электрона на более высокий уровень. Т.е. электроны могут ускоряться эл. полями. Кристаллы с такой структурой называются проводниками.

На первый взгляд вам может показаться, что обладающий небольшой энергией электрон с превеликим трудом протискивается через твердый кристалл. Атомы в нем уложены так, что их центры отстоят один от другого лишь на несколько ангстрем, а эффективный диаметр атома при рассеянии электронов составляет примерно 1А или около этого. Иначе говоря, атомы, если их сравнивать с промежутками между ними, очень велики, так что можно ожидать, что средний свободный пробег между столкновениями будет порядка нескольких ангстрем, а это практически равно нулю. Следует ожидать, что электрон почти тотчас же влетит в тот или иной атом. Тем не менее перед нами самое обычное явление природы: когда решетка идеальна, электрону ничего не стоит плавно пронестись сквозь кристалл, почти как сквозь вакуум. Странный этот факт — причина того, что металлы так легко проводят электричество; кроме того, он позволил изобрести множество весьма полезных устройств. Например, благодаря ему транзистор способен имитировать радиолампу. В радиолампе электроны движутся свободно через вакуум, в транзисторе они тоже движутся свободно, но только через кристаллическую решетку. Механизм того, что происходит в транзисторе, будет описан в этой главе; следующая глава посвящена применениям этих принципов в различных практических устройствах.

Проводимость электронов в кристалле — один из примеров очень общего явления. Через кристаллы могут странствовать не только электроны, но и другие «объекты». Так, атомные возбуждения тоже могут путешествовать аналогичным способом. Явление, о котором мы сейчас будем говорить, то и дело возникает при изучении физики твердого состояния.

Мы уже неоднократно разбирали примеры систем с двумя состояниями. Представим себе на этот раз электрон, который может находиться в одном из двух положений, причем в каждом из них он оказывается в одинаковом окружении. Предположим также, что имеется определенная амплитуда перехода электрона из одного положения в другое и, естественно, такая же амплитуда перехода обратно, в точности, как в гл. 8, § 1 (вып. 8) для молекулярного иона водорода. Тогда законы квантовой механики приводят к следующим результатам. У электрона возникнет два возможных состояния с определенной энергией, причем каждое состояние может быть описано амплитудой того, что электрон пребывает в одном из двух базисных положений. В каждом из состояний определенной энергии величины этих двух амплитуд постоянны во времени, а фазы меняются во времени с одинаковой частотой. С другой стороны, если электрон сперва был в одном положении, то со временем он перейдет в другое, а еще позже вернется в первое положение. Изменения амплитуды похожи на движение двух связанных маятников.

Рассмотрим теперь идеальную кристаллическую решетку и вообразим, что в ней электрон может расположиться в некоторой «ямке» возле определенного атома, имея определенную энергию. Допустим также, что у электрона имеется некоторая амплитуда того, что он перескочит в другую ямку, которая находится неподалеку, возле другого атома. Это чем-то напоминает систему с двумя состояниями, но с добавочными осложнениями. После того как электрон достигает соседнего атома, он может перейти в совершенно новое место или вернуться в исходную позицию. Все это похоже не столько на пару связанных маятников, сколько на бесконечное множество маятников, связанных между собой. Это чем-то напоминает одну из тех машин (составленных из длинного ряда стержней, прикрепленных к закрученной проволоке), с помощью которых на первом курсе демонстрировалось распространение волн.

Если у вас имеется гармонический осциллятор, связанный с другим гармоническим осциллятором, который в свою очередь связан со следующим осциллятором, который и т.д..., и если вы создадите в одном месте какую-то нерегулярность, то она начнет распространяться, как волна по проволоке. То же самое возникает и в том случае, если вы поместите электрон возле одного из атомов в длинной их цепочке.

Как правило, задачи по механике легче всего решать на языке установившихся волн; это проще, чем анализировать последствия отдельного толчка. Тогда появляется какая-то картина смещений, которая распространяется по кристаллу, как волна с заданной, фиксированной частотой. То же самое происходит с электроном, и по той же причине, потому что электрон описывается в квантовой механике похожими уравнениями.

Но нужно помнить одну вещь: амплитуда для электрона быть в данном месте это амплитуда, а не вероятность. Если бы электрон просто просачивался из одного места в другое, как вода через дырочку, то его поведение было бы совсем иным. Если бы, скажем, мы соединили два бачка с водой тоненькой трубочкой, по которой вода из одного бачка по капле перетекала в другой, то уровни воды выравнивались бы по экспоненте. С электроном же происходит просачивание амплитуды, а не монотонное переливание вероятностей. А одно из свойств мнимого члена (множителя i в дифференциальных уравнениях квантовой механики) — что он меняет экспоненциальное решение на колебательное. И то, что после этого происходит, ничуть не походит на то, как вода перетекает из одного бачка в другой.

Теперь мы хотим квантовомеханический случай проанализировать количественно. Пусть имеется одномерная система, состоящая из длинной цепи атомов (фиг. 11.1,а). (Кристалл, конечно, трехмерен, но физика в обоих случаях очень близка; если вы разберетесь в одномерном случае, то сможете разобраться и в том, что бывает в трех измерениях.) Мы хотим знать, что случится, если в эту линию атомов поместить отдельный электрон. Конечно, в реальном кристалле таких электронов мириады. Но большинство их (в непроводящем кристалле почти все) занимает в общей картине движения свое место, каждый вертится вокруг своего атома, и все оказывается совершенно установившимся. А мы хотим рассуждать о том, что будет, если внутрь поместить лишний электрон. Мы не будем думать о том, что делают прочие электроны, потому что будем считать, что на то, чтобы изменить их энергию, потребуется очень много энергии возбуждения. Мы собираемся добавить электрон и создать как бы новый слабо связанный отрицательный ион. Следя за тем, что поделывает этот лишний электрон, мы делаем приближение, пренебрегая при этом внутренним механизмом атомов.

Ясно, что этот электрон сможет перейти к другому атому, перенося в новое место отрицательный ион. Мы предположим, что (в точности, как и в случае электрона, «прыгавшего» от протона к протону) электрон может с какой-то амплитудой «прыгать» от атома к его соседям с любой стороны.

Как же описывать такую систему? Что считать разумными базисными состояниями? Если вы вспомните, что мы делали, когда у электрона было только две возможные позиции, вы сможете догадаться. Пусть в нашей цепочке все расстояния между атомами одинаконы, и пусть мы их пронумеруем по порядку, как на фиг. 11.1,а. Одно базисное состояние — когда электрон находится возле атома № 6; другое базисное состояние — когда электрон находится возле № 7, или возле № 8, и т. д.; n-е базисное состояние можно описать, сказав, что электрон находится возле атома № n. Обозначим это базисное состояние |n>. Из фиг. 11.1 ясно, что подразумевается под тремя базисными состояниями:

С помощью этих наших базисных состояний можно описать любое состояние |φ> нашего одномерного кристалла, задав все амплитуды того, что состояние |φ> находится в одном из базисных состояний, т. е. амплитуду того, что электрон расположен близ данного частного атома. Тогда состояние |φ> можно записать в виде суперпозиции базисных состояний:

Кроме того, мы хотим еще предположить, что когда электрон находится близ одного из атомов, то имеется некоторая амплитуда того, что он просочится к тому атому, что слева, или к тому, что справа. Возьмем простейший случай, когда считается, что он может просочиться только к ближайшим соседям, а к следующему соседу он сможет дойти в два приема. Примем, что амплитуды того, что электрон перепрыгнет от одного атома к соседнему, равны iA / h (за единицу времени).

Изменим на время обозначения, и амплитуду , связанную с n-м атомом, обозначим через С n . Тогда (11.1) будет иметь вид

Если бы вы знали каждую из амплитуд С n в данный момент, то, взяв квадраты их модулей, можно было бы получить вероятность того, что вы увидите электрон, взглянув в этот момент на атом n.

Но что сталось бы чуть позже? По аналогии с изученными нами системами с двумя состояниями мы предлагаем составить гамильтоновы уравнения для этой системы в виде уравнений такого типа:

Первый справа коэффициент Е 0 физически означает энергию, которую имел бы электрон, если бы он не мог просачиваться от одного атома к другим. (Совершенно неважно, что мы назовем Е 0 ; мы неоднократно видели, что реально это не означает ничего, кроме выбора нуля энергии.) Следующий член представляет амплитуду в единицу времени того, что электрон из (n+1)-й ямки просочится в n-ю ямку, а последний член означает амплитуду просачивания из (n —1)-й ямки. Как обычно, А считается постоянным (не зависящим от t ).

Для полного описания поведения любого состояния | φ> надо для каждой из амплитуд С n иметь по одному уравнению типа (11.3). Поскольку мы намерены рассмотреть кристалл с очень большим количеством атомов, то допустим, что состояний имеется бесконечно много, атомы тянутся без конца в обе стороны. (При конечном числе атомов придется специально обращать внимание на то, что случается на концах.) А если количество N наших базисных состояний бесконечно велико, то и вся система наших гамильтоновых уравнений бесконечна! Мы напишем только часть ее:

Лекция 15. Электроны в кристаллах

15.1. Электропроводность металлов

Квантовомеханический расчет показывает, что в случае идеальной кристаллической решетки электроны проводимости не испытывали бы при своем движении никакого сопротивления и электропроводность металлов была бы бесконечно большой . Согласно корпускулярно-волновому дуализму, движению электрона сопоставляют волновой процесс. Идеальная кристаллическая решетка металла (в ее узлах находятся неподвижные частицы и в ней отсутствуют нарушения периодичности) ведет себя подобно оптически однородной среде - она «электронные волны» не рассеивает. Это соответствует тому, что металл не оказывает электрическому току - упорядоченному движению электронов - никакого сопротивления. «Электронные волны», распространяясь в идеальной кристаллической решетке металла, как бы огибают узлы решетки и проходят значительные расстояния.

В реальной кристаллической решетке металла всегда имеются неоднородности, которыми могут быть, например, примеси, вакансии ; неоднородности обусловливаются также тепловыми колебаниями. В реальной кристаллической решетке происходит рассеяние «электронных волн» на неоднородностях, что и является причиной электрического сопротивления металлов. Рассеяние «электронных волн» на неоднородностях, связанных с тепловыми колебаниями, можно рассматривать как столкновения электронов с фононами.

Удельное электрическое сопротивление (ρ ) металлов можно представить в виде

где ρ колеб - сопротивление, обусловленное тепловыми колебаниями решетки, ρ прим - сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на примесных атомах. Слагаемое ρ колеб уменьшается с понижением температуры и обращается в нуль при Т = 0 К. Слагаемое ρ прим при небольшой концентрации примесей не зависит от температуры и образует так называемое остаточное сопро тивление металла, т. е. сопротивление, которым металл обладает вблизи 0 К.

Расчет электропроводности металлов, выполненный на основе квантовой теории, приводит к выражению для удельной электрической проводимости металла

которое по внешнему виду напоминает классическую формулу для σ , но имеет совершенно другое физическое содержание. Здесь п - концентрация электронов проводимости в металле; <ℓ F> - средняя длина свободного пробега электрона, имеющего энергию Ферми, - средняя скорость теплового движения такого электрона, m * - эффективная масса электронов. Выводы, получаемые на основе формулы (15.1), полностью соответствуют опытным данным. Квантовая теория металлов, в частности, объясняет зависимость удельной проводимости от температуры: σ ~ 1/Т (классическая теория дает, что σ ~ 1/√Т), а также аномально большие величины (порядка сотен периодов решетки) средней длины свободного пробега электронов <ℓ F> в металле.

Согласно классической теории, средняя скорость теплового движения электронов <u > ~ √ T, поэтому она не смогла объяснить истинную зависимость удельной электрической проводимости σ от температуры. В квантовой теории средняя скорость <u F> от температуры практически не зависит, так как доказывается, что с изменением температуры уровень Ферми остается практически неизменным (см. (14.53)). Однако с повышением температуры рассеяние «электронных волн» на тепловых колебаниях решетки (на фононах) возрастает, что соответствует уменьшению средней длины свободного пробега электронов. В области комнатных температур <ℓ F> ~ T -1, поэтому, учитывая независимость от температуры, получим, что сопротивление металлов (R ~ 1/σ ) в соответствии с данными опытов растет пропорционально T .

Различие классической трактовки движения электронов проводимости в металле и квантовомеханической трактовки заключается в следующем. При классическом рассмотрении предполагается, что все электроны возмущаются внешним электрическим полем. При квантовомеханической трактовке приходится принимать во внимание, что, хотя электрическим полем также возмущаются все электроны, однако их коллективное движение воспринимается в опыте как возмущение полем лишь электронов, занимающих состояния вблизи уровня Ферми . Кроме того, при классической трактовке в знаменателе формулы (15.1) должна стоять обычная масса электрона т. При квантовомеханической трактовке вместо обычной массы должна быть взята эффективная масса электрона m *. Это обстоятельство является проявлением общего правила, согласно которому соотношения, полученные в приближении свободных электронов, оказываются справедливыми и для электронов, движущихся в периодическом поле решетки, если в них заменить истинную массу m электрона эффективной массой m *.

15.2. Электропроводность полупроводников

Полупроводниками являются кристаллические вещества, у которых при 0 К валентная зона полностью заполнена электронами (см. рис. 14.14, б ), а ширина запрещенной зоны невелика. Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако характерным для них является не величина проводимости, а то, что их проводимость растет с повышением температуры (у металлов она уменьшается).

15.2.1. Собственная проводимость полупроводников

Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью. Примером собственных полупроводников могут служить химически чистые Ge, Si, а также многие химические соединения: InSb, GaAs, CdS и др.

При 0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении же температуры электроны с верхних уровней валентной зоны I могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводимости I I (рис. 15.1). При наложении на кристалл электрического поля они перемещаются против поля и создают электрический ток. Таким образом, зона I I из-за ее частичного «укомплектования» электронами становится зоной проводимости. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n -типа.

В результате тепловых забросов электронов из зоны I в зону I I в валент­ной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок . Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место - дырку - может переместиться электрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушел электрон, и т. д. Такой процесс заполнения дырок электронами равносилен перемещению дырки в направлении, противоположном движению электрона, так, как если бы дырка обладала положительным зарядом, равным по величине заряду электрона.

Рис. 15.1 Рис. 15.2

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами - дырками, назы­вается дырочной проводимостью или проводимостью р-типа .

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости - электронный и дырочный. Число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне, так как последние соответствуют электронам, возбужденным в зону проводимости. Следовательно, если концентрации электронов проводимости и дырок обозначить соответственно n e иn р, то

Проводимость полупроводников всегда является возбужденной, т. е. появляется только под действием внешних факторов (температуры, облучения, сильных электрических полей и т. д.).

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны (рис. 15.2). Действительно, для переброса электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается энергия активации , равная ширине запрошенной зоны ΔE . При появлении же электрона в зоне проводимости в валентной зоне обязательно возникает дырка. Следовательно, энергия, затраченная на образование пары носителей тока, должна делиться на две равные части. Так как энергия, соответствующая половине ширины запрещенной зоны, идет на переброс электрона и такая же энергия затрачивается на образование дырки, то начало отсчета для каждого из этих процессов должно находиться в середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в собственном полупроводнике представляет собой энергию, от которой происходит возбуждение электронов и дырок.

Вывод о расположении уровня Ферми в середине запрещенной зоны собственного полупроводника может быть подтвержден математическими выкладками. В физике твердого тела доказывается, что концентрация электронов в зоне проводимости

где Е2 - энергия, соответствующая дну зоны проводимости (рис. 15.2); Е F - энергия Ферми; T - термодинамическая температура; С 1 - постоянная, зависящая от температуры и эффективной массы электрона проводимости.

Эффективная масса - величина, имеющая размерность массы и характеризующая динамические свойства квазичастиц - электронов проводимости и дырок. Введение в зонную теорию эффективной массы электрона проводимости позволяет, с одной стороны, учитывать действие на электроны проводимости не только внешнего ноля, но и внутреннего периодического поля кристалла, а с другой стороны, абстрагируясь от взаимодействия электронов проводимости с решеткой, рассматривать их движение во внешнем поле как движение свободных части.

Концентрация дырок в валентной зоне

где С 2 - постоянная, зависящая от температуры и эффективной массы дырки; Е 1 - энергия, соответствующая верхней границе валентной зоны.

Энергия возбуждения в данном случае отсчитывается вниз от уровня Ферми (рис. 15.2), поэтому величины в экспоненциальном множиимеют знак, обратный знаку экспоненциального множителя в (15.3). Так как для собственного полупроводника n e = n р (15.2), то

т. е. уровень Ферми в собственном полупроводнике действительно расположен в середине запрещенной зоны. Так как для собственных полупроводников ΔE >> kT , то распределение Ферми - Дирака (14.42) переходит в распределение Максвелла - Больцмана (14.15). Положив в (14.42) E - E F ≈ ΔE /2, получим

где σ 0 - постоянная, характерная для данного полупроводника.

Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры является их характерной особенностью (у металлов с повышением температуры проводимость уменьшается). С точки зрения зонной теории это обстоятельство объяснить довольно просто: с повышением температуры растет чисто электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости и участвуют в проводимости. Поэтому удельная проводимость собственных полупроводников с повышением температуры растет.

Если представить температурную зависимость удельной проводимости ln σ от 1/Т , то для собственных полупроводников - прямая (рис. 15.3), по наклону которой можно определить ширину запрещенной зоны ΔЕ, а по ее продолжению - σ 0 (прямая отсекает на оси ординат отрезок, равный ln σ 0. Одним из наиболее широко распространенных полупроводниковых элементов является германий, имеющий решетку типа алмаза, в которой каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя ближайшими соседями. Упрошенная плоская схема расположения атомов в кристалле Ge дана на рис. 15.4,

где каждая черточка обозначает связь, осуществляемую одним электроном. В идеальном кристалле при Т = 0 К такая структура представляет собой диэлектрик, так как все валентные электроны участвуют в образовании связей и, следовательно, не участвуют в проводимости. При повышении температуры (или под действием других внешних факторов)

тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего часть электронов отщепляется и они становятся свободными. В покинутом электроном месте возникаем дырка (она изображена белым кружком), заполнить которую могут электроны из соседней пары.

Рис. 15.3. Рис. 15.4.

В результате дырка, так же как и освободившийся электрон, будет двигаться по кристаллу. Движение электронов проводимости и дырок в отсутствие электрического поля является хаотическим. Если же на кристалл наложить электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки - по полю, что приведет к возникновению собственной проводимости германия, обусловленной как электронами, так и дырками.

В полупроводниках наряду с процессом генерации электронов и дырок идет процесс рекомбинации ; электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, отдавая энергию решетке и испуская кванты электромагнитного излучения. В результате для каждой температуры устанавливается определенная равновесная концентрация электронов и дырок, изменяющаяся с температурой, согласно выражению (15.5).

15.2.2. Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью , а сами полупроводники - примесными полупроводниками . Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим составом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т. д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат. % бора его проводимость увеличивается примерно в 106 раз.

Примесную проводимость полупроводников рассмотрим на примере Ge и Si, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Например, при замещении атома Германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 15.5, а ) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, т. е. стать свободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следовательно, в отличие от случая, рассмотренного выше, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.

С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представить следующим образом (рис. 15.5, б ). Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем . В случае

Германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ΔЕ D = 0.013 эВ. Так как ΔЕ D < kT , то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны ; возникает э лектронная примесная проводимость (проводимость n -типа ). Полупроводники э лектронными (или полупроводниками n -типа ). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами донорными уровнями .

Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 15.6, а ). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т. е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточный же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не может.

По зонной теории, введение трехвалентной примеси в решетку кремния приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня А , не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ΔЕА = 0.08 эВ (рис. 15.6.6 ). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при

сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по решетке кремния, т. е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проводимость р -типа). Полупроводники с такой проводимостью называются д ырочными (или полупроводниками р-типа ). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами , а энергетические уровни этих примесей - акцепторными уровнями .

В отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака: электронами - в случае донорной примеси, дырками - в случае акцепторной. Эти носители тока называются основными . Кроме основных носителей в полупроводнике имеются и неосновные носители: в полупроводниках n -типа - дырки, в полупроводниках р -типа - электроны.

Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми E F. Расчеты показывают, что в случае полупроводников n-типа уровень Ферми E Fo при 0 К расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем (рис. 15.7).

С повышением температуры все большее число электронов переходит из донорных состояний в зону проводимости, но, помимо этого, возрастает и число тепловых флуктуаций, способных возбуждать электроны из валентной зоны и перебрасывать их через запрещенную зону энергий. Поэтому при высоких температурах уровень Ферми имеет тенденцию смещаться вниз(сплошная кривая) к своему предельному положению в центре запрещенной зоны, характерному для собственного полупроводника.

Уровень Ферми в полупроводниках р- типа при Т = 0 К E Fo располагается посередине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем (рис. 15.8). Сплошная кривая опять-таки показывает его смещение с температурой. При температурах, при которых примесные атомы оказываются полностью истощенными и увеличение концентрации носителей происходит за счет возбуждения собственных носителей, уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, как в собственном полупроводнике.

Проводимость примесного полупроводника, как и проводимость любого проводника, определяется концентрацией носителей и их подвижностью. С изменением температуры подвижность носителей меняется по сравнительно слабому степенному закону, а концентрация носителей - по очень сильному экспоненциальному закону, поэтому проводимость примесных полупроводников от температуры определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей тока в нем. На рис. 15.9 дан примерный график ln σ от 1/Т для примесных полупроводников. Участок АВ описывает примесную проводимость полупроводника. Рост примесной проводимости полупроводника с увеличением температуры обусловлен в основном повышением концентрации примесных носителей. Участок ВС соответствует области истощения примесей, участок CD описывает собственную проводимость полупроводника.

15.2.3. Фотопроводимость полупроводников. Экситоны

Увеличение электропроводности полупроводников может быть обусловлено не только тепловым возбуждением носителей тока, но и под действием электромагнитного излучения. В таком случае говорят о фотопроводимости полупроводников . Фотопроводимость полупроводников может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (hν ≥ ∆E ), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 15.10, а ), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок {в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость , обусловленная электронами и дырками.

Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может

возникать и при hν < ∆E : для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией hν ≥ ∆ED , а для полупроводников с акцепторной примесью hν ≥ ∆EA . При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n -типа (рис. 15.10, б ) или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р -типа (рис. 15.10, в ). В результате возникает примесная фотопроводимость , являющаяся чисто электронной для полупроводников n -типа и чисто дырочной для полупроводников р -типа.

Из условия hν = hc/ λ можно определить красную границу фотопроводимости - максимальную длину волны, при которой еще фотопроводимость возбуждается:

для собственных полупроводников

для примесных полупроводников

(∆E п - в общем случае энергия активации примесных атомов).

Учитывая значения ∆E и ∆E п для конкретных полупроводников, можно показать, что красная граница фотопроводимости для собственных полупроводников приходится на видимую область спектра, для примесных же полупроводников - на инфракрасную.

Тепловое или электромагнитное возбуждение электронов и дырок может и не сопровождаться увеличением электропроводности. Одним из таких механизмов может быть механизм возникновения экситонов. Экситоны представляют собой квазичастицы - электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости.

15.3. Контакт электронного и дырочного полупроводников

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой - дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р- n -переходом) . Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. р -n -Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов.

15.3.1. Полупроводниковые диоды (p - n -переход)

Пусть донорный полупроводник (работа выхода – А n уровень Ферми - E Fn) приводится в контакт (рис. 15.11, а, б ) с акцепторным полупроводником (работа выхода - A p, уровень Ферми - E Fp). Электроны из n -полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р -полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении - в направлении р → n .

В n -полупроводнике, из-за ухода электронов, вблизи границы остается некомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов.

В p -полупроводнике, из-за ухода дырок, вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 15.11, а ). Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n -области к р -области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n → р и дырок в направлении р → n . Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках n - и р -типа одинаковы, то толщины слоев d 1 и d2 (рис. 15.11, в ), в которых локализуются неподвижные

заряды, равны (d 1 = d 2).

При определенной толщине р -n -перехода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис, 15.11, в). В области р -n -перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера eφ определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полупроводниках. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную eφ , причем подъем происходит на толщине двойного слоя d .

Толщина d слоя р -n -перехода в полупроводниках составляет примерно 10-б - 10-7 м, а контактная разность потенциалов - десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является з апирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к р -n -переходу внешнее электрическое иоле направлено от n -полупроводника к р -полупроводнику (рис. 15.12, а ), т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n -полупроводнике и дырок в р -полупроводнике от границы р -n -перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет.

Направление внешнего поля , расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным ). В этом направлении электрический ток через р-п- переход практически не проходит. Ток в запирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р -полупроводнике и дырок в п -полупроводнике).

Если приложенное к р-п -переходу внешнее электрическое поле направлено

противоположно полю контактного слоя (рис. 15.12, б ), то оно вызывает движение электронов в п -полупроводнике и дырок в р -полупроводнике к границе р-п -перехода

навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлени и электрический ток проходит сквозь р-п -переход в направлении от р -полупроводника к п -полупроводнику; оно называется пропускным (прямым ).

Таким образом, р-п -переход (подобно контакту металла с полупроводником)

обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

На рис.15.13 представлена вольт-амперная характеристика р-п -перехода. Как уже указывалось, при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе р-п -перехода (см. рис. 15.12, б ). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис.15.13). Этот направление тока называется прямым. При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе р-п -перехода (см. рис. 15.12, а ) и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными

носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в данном случае через р-п -переход протекает только небольшой ток (он называется обратным ), полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь рис. 15.13). Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока р-п -переходы действуют как выпрямители.

15.3.2. Полупроводниковые триоды (транзисторы)

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы-диода. Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один р-п -переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом .

р-п -Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратую связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов , или транзисторов . Они могут быть типа р-п-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.

Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-п-р , т. е. триода на основе п -полупроводника (рис. 15.14). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллекто р (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов - металлических проводников.

Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором - постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение

подается на входное сопротивление R вх, а усиленное - снимается с выходного сопротивления R вых. Протекание тока в цепи змиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» - инжекцией - в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), вследствие чего изменяется ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цени эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении - переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств р-п -переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Бк. Обычно R вых >> R вх, поэтому Uвых значительно превышает входное напряжение U вх (усиление может достигать 10000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в R вых, может быть больше, чем расходуемая в цени эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.

Из рассмотренного следует, что транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.

Принцип работы транзистора п-р-п -типа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами (малые габаритные раз­меры, высокие КПД и срок службы, отсутствие накаливаемого катода (поэтому потребление меньшей мощности), отсутствие необходимости в вакууме и т. д.) транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.

15.4. Контактные и термоэлектрические явления по зонной теории

15.4.1. Работа выхода и термоэлектронная эмиссия

Поверхность металла удается покинуть только тем электронам проводимости, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Удаление электрона от наружного слоя ионов peшетки приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда. Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скорость которого не очень велика, вернуться обратно. В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой. Силы, действующие на электрон в таком слое, направлены внутрь металла. Работа, совершаемая против этих сил при переводе электрона из металла наружу, идет на увеличение потенциальной энергии электрона.

Полная энергия электрона в металле слагается из потенциальной и кинетической энергий. При абсолютном нуле значения кинетической энергии электронов проводимости заключены в пределах от нуля до совпадающей с уровнем Ферми энергии Е max. На рис. 15.15 энергетические уровни зоны проводимости «вписаны» в потенциальную яму. Для удаления за пределы металла разным электронам нужно сообщить неодинаковую энергию. Так, электрону, находящемуся на самом нижнем уровне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию Е Р0; для электрона, находящегося на уровне Ферми, достаточна энергия Е Р0 - Е max = Е Р0 - E F.

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода . Работу выхода принято обозначать через eφ , где φ - величина, называемая потенциалом выхода . Работа выхода электрона из металла определяется выражением

При повышении температуры часть электронов проводимости имеет энергию достаточную для преодоления потенциального барьера на границе металла. Испускание электронов нагретым металлом называется термоэлектронной эмиссией .

Этот эффект используется в электронных лампах, где катод разогревается до высоких температур. Измеряя вольт-амперную характеристику двухэлектродной лампы (катод, анод) при разных температурах катода и анодного напряжения можно исследовать термоэлектронную эмиссию.

Исходя из квантовых представлений, Дэшман получил (1923 г.) для тока насыщения формулу

Здесь eφ – работа выхода, А –константа. Температурный ход тока насыщения эта передает вполне удовлетворительно. Формула (15.10) называется формулой Ричардсона - Дэшмана .

15.4.2. Контактная разность потенциалов

Если привести два разных металла в соприкосновение, между ними возникает разность потенциалов, которая называется контактной. В результате в окружающем металлы пространстве появляется электрическое поле.

Контактная разность потенциалов обусловлена тем, что при соприкосновении металлов часть электронов из одного металла переходит в другой. В верхней части рис. 15.16 изображены два металла до приведения их в соприкосновение и даны их графики потенциальной энергии электрона. Уровень Ферми в первом металле лежит, по предположению, выше, чем во втором. . В нижней части рис. 15.16 изображены два металла после приведения их в соприкосновение и даны их графики потенциальной энергии электрона. Естественно, что при возникновении контакта между металлами электроны с самых высоких уровней в первом металле станут переходить на более низкие свободные уровни второго металла. В результате потенциал первого металла возрастет, а второго - уменьшится. Соответственно потенциальная энергия электрона в первом металле уменьшится, а во втором

увеличится (напомним, что потенциал металла и потенциальная энергия электрона в нем имеют разные знаки). В статистической физике доказывается, что условием равновесия между соприкасающимися металлами (а также между полупроводниками или металлом и полупроводником) является равенство полных энергий, соответствующих уровням Ферми. При этом условии уровни Ферми обоих металлов располагаются на схеме на одинаковой высоте. На рис. 15.16 видно, что в этом случае потенциальная энергия электрона в непосредственной близости к поверхности первого металла (точки А и В на рис.15.16, б ) будет на еφ 2 - eφ 1 меньше, чем вблизи второго металла. Следовательно, между точками А и В устанавливается разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

Разность потенциалов (15.11), обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов . Чаще говорят просто о контактной разности потенциалов , подразумевая под ней внешнюю.

Если уровни Ферми для двух контактирующих металлов неодинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов которая, как следует из рисунка, равна

В квантовой теории доказывается, что причиной возникновения внутренней контактной разности потенциалов является различие концентраций электронов в контактирующих металлах. ∆φ "" зависит от температуры Т контакта металлов (поскольку наблюдается зависимость Е F от Т), обусловливая термоэлектрические явления. Как правило, ∆φ "" << ∆φ ". Если, например, ввести в соприкосновение три разнородных проводника, имеющих одинаковую температуру, то разность потенциалов между концами разомкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциала во всех контактах. Она не зависит от природы промежуточных проводников. То же самое справедливо при любом числе промежуточных звеньев: разность потенциалов между концами цепи определяется разностью работ выхода для металлов, образующих крайние звенья цепи.

Значения внешней контактной разности потенциалов колеблются для различных пар металлов от нескольких десятых вольта до нескольких вольт. Мы рассмотрели контакт двух металлов. Однако контактная разность потенциалов возникает и на границе между металлом и полупроводником, а также на границе между двумя полупроводниками.

Для замкнутой цепи, составленной из произвольного числа разнородных металлов и полупроводников, с одинаковой температурой всех спаев, сумма скачков потенциалов будет равна нулю. Поэтому ЭДС в цепи возникнуть не может.

15.4.3. Термоэлектрические явления

Термоэлектрическими называют такие явления, в которых проявляется специфическая связь между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

Явление Зеебека. Зеебек(1821 г) обнаружил, что если спаи 1 и 2 двух разнородных металлов, образующих замкнутую цепь (рис.15.17), имеют неодинаковую температуру, то в цепи течет электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

В замкнутой цепи для многих пар металлов электродвижущая сила прямо пропорциональна разности температур в контактах

Эта ЭДС называется термоэлектродвижущей силой . Причина возникновения термоэлектродвижущей ЭДС можно понять с помощью формулы (15.12), которая определяет внутреннюю контактную разность потенциалов на границе двух металлов. Так как положение уровня Ферми зависит от температуры, то при разных температурах контактов разными будут и внутренние контактные разности потенциалов. Поэтому сумма скачков потенциала на контактах будет отлична от нуля, что и приводит к возникновению термоэлектрического тока. При градиенте температуры происходит также диффузия электронов, которая тоже обуславливает термо-ЭДС.

Явление Зеебека используется:

1) для измерения температуры с помощью термопар – датчиков температур, состоящих из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников. Таких спаев в термопаре может быть несколько;

2) для создания генераторов тока с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую. Их используют, в частности, на космических кораблях, спутниках в качестве бортовых источников электроэнергии;

3) для измерения мощности инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучений.

Явление Пельтье . Это явление (1834 г.)можно считать обратным термоэлектричеству. Если через термопару пропустить электрический ток от постороннего источника (рис. 15.18), то один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться. Теплота, выделенная на одном спае (+Q), будет равна теплоте, поглощенной на другом (- Q). При изменении направления тока роль спаев изменится.

Количество выделившейся или поглощенной теплоты пропорционально заряду q, протекшему через спай:

где П - коэффициент Пельтье , зависящий от соприкасающихся материалов и их температуры.

Закономерность (15.14) позволяет определить количество теплоты Пельтье , которое отлично от количества теплоты Джоуля - Ленца, так как в последнем случае оно пропорционально квадрату силы тока.

Явление Пельтье используют для создания холодильников, термостатов, установок микроклимата и т. п. Изменяя силу тока в этих устройствах, можно регулировать количество выделяемой или поглощаемой теплоты, а изменяя направление тока, можно преобразовать холодильник в нагреватель и наоборот.

В случае контакта двух веществ с одинаковым видом носителей тока (металл - металл, металл - полупроводник n -типа, два полупроводника n -типа, два полупроводника р -типа) эффект Пельтье имеет следующее объяснение. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны от спая имеют различную среднюю энергию (имеется в виду полная энергия - кинетическая плюс потенциальная). Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они отдают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего спай нагревается. На другом спае носители переходят в область с большей энергией; недостающую энергию они заимствуют у решетки, что приводит к охлаждению спая.

В случае контакта двух полупроводников с различным типом проводимости эффект Пельтье имеет другое объяснение. В этом случае на одном спае электроны и дырки движутся навстречу друг другу. Встретившись, они рекомбинируют: электрон, находившийся в зоне проводимости n -полупроводника, попав в р -полупроводник, занимает в валентной зоне место дырки. При этом высвобождается энергия, которая требуется для образования свободного электрона в n -полу-проводнике и дырки в р -полупроводнике, а также кинетическая энергия электрона и дырки. Эта энергия сообщается кристаллической решетке и идет на нагревание спая. На другом спае протекающий ток отсасывает электроны и дырки от границы между полупроводниками. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок (при этом электрон из валентной зоны р -полупроводника переходит в зону проводимости n -полупроводника). На образование пары затрачивается энергия, которая заимствуется у решетки, - спай охлаждается.

Явление Томсона . Это явление было предсказано У. Томсоном (Кельвин) в 1856 г. При прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье. Это явление после экспериментального подтверждения получило название явления Томсона и объясняется по аналогии с явлением Пельтье.

Так как в более нагретой части проводника электроны имеют бóльшую среднюю энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты. Если же электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они, наоборот, пополняют свою энергию за счет энергии решетки, в результате чего происходит поглощение теплоты.

15.5. Сверхпроводимость

Камерлинг-Оннес обнаружил в 1911 г., что при температуре около 4 К электрическое сопротивление ртути скачком уменьшалось до нуля. Дальнейшие исследования показали, что аналогично ведут себя и многие другие металлы и сплавы. Это явление назвали сверхпроводимостью , а вещества, где оно наблюдается, - сверхпроводниками . Температура Тк, при которой происходит скачкообразное уменьшение сопротивления, называется температурой перехода в сверхпроводящее состоя ние или критической температурой . Состояние сверхпроводника выше критической температуры называется нормальным , а ниже - сверхпроводящим .

15.5.1. Бозе-конденсация и сверхтекучесть в электронной подсистеме металла

Теория сверхпроводимости была создана в 1957 г. Бардином, Купером, и Шриффером. Ее называют кратко теорией БКШ. Независимо от них в 1958 г. разработал более совершенный вариант теории сверхпроводимости. Теория сверхпроводимости сложна. Поэтому ниже ограничимся лишь упрощенным изложением теории БКШ.

Помимо внешнего сходcтвa между сверхтекучестью (сверхтекучая жидкость протекает без трения, т. е. без сопротивления течению, по узким капиллярам) и сверхпроводимостью (ток в сверхпроводнике течет без сопротивления по проводу) существует глубокая физическая аналогия: и сверхтекучесть, и сверхпроводимость - это макроскопический квантовый эффект .

Электроны в металле, кроме кулоновского отталкивания, испытывают особый вид взаимного притяжения, которое в сверхпроводящем состоянии преобладает над отталкиванием. В результате электроны проводимости объединяются в так называемые куперовские пары . Электроны, входящие в такую пару, имеют противоположно направленные спины. Поэтому спин пары равен нулю, и она представляет собой бозон. Бозоны склонны накапливаться в основном энергетическом состоянии, из которого их сравнительно трудно перевести в возбужденное состояние. Иначе говоря, при температуре ниже критической (Т к) происходит бозе-конденсация куперовских пар электронов. Куперовские пары бозе-конденсата, придя в сверхтекучее движение, остаются в этом состоянии неограниченно долго. Такое согласованное движение пар и есть ток сверхпроводимости.

Поясним сказанное более подробно. Электрон, движущийся в металле, деформирует (поляризует) состоящую из положительных ионов кристаллическую решетку. В результате этой деформации электрон оказывается окруженным «облаком» положительного заряда, перемещающимся по решетке вместе с электроном. Электрон и окружающее его облако представляют собой положительно заряженную систему, к которой будет притягиваться другой электрон. Таким образом, кристаллическая решетка играет роль промежуточной среды, наличие которой при­водит к притяжению между электронами.

На квантовомеханическом языке притяжение между электронами объясняется как результат обмена между электронами квантами возбуждения решетки - фононами. Электрон, движущийся в металле, нарушает режим колебаний решетки - возбуждает фононы. Энергия возбуждения передается другому электрону, который поглощает фонон. В результате такого обмена фононами возникает дополнительное взаимодействие между электронами, которое имеет характер притяжения. При низких температурах это притяжение у веществ, являющихся сверхпроводниками, превышает кулоновское отталкивание.

Взаимодействие, обусловленное обменом фононами, наиболее сильно проявляется у электронов, обладающих противоположными импульсами и спинами. В результате два таких электрона объединяются в куперовскую пару. Эту пару не следует представлять себе как два слипшихся электрона. Напротив, расстояние между электронами пары весьма велико, оно составляет примерно 10-4 см, т. е. на четыре порядка превышает межатомные расстояния в кристалле (например, свинец в сверхпроводящем состоянии Т к ≈ 7,2 К). Примерно 106 куперовских пар заметно перекрываются, т. е. занимают общий объем.

В куперовские пары объединяются не все электроны проводимости. При температуре Т , отличной от абсолютного нуля, имеется некоторая вероятность того, что пара будет разрушена. Поэтому всегда наряду с парами имеются «нормальные» электроны, движущиеся по кристаллу обычным образом. Чем ближе Т к Тк, тем доля нормальных электронов становится больше, обращаясь в единицу при Т = Т к. Следовательно, при температуре выше Тк сверхпроводящее состояние невозможно.

Образование куперовских пар приводит к перестройке энергетического спектра металла. Для возбуждения электронной системы, находящейся в сверхпроводящем состоянии, надо разрушить хотя бы одну пару, на что требуется энергия, равная энергии связи Есв электронов в паре. Эта энергия представляет собой минимальное количество энергии, которое может воспринять система электронов сверхпроводника. Следовательно, в энергетическом спектре электронов, находящихся в сверхпроводящем состоянии, имеется щель ширины Есв, расположенная в области уровня Ферми.

Итак, возбужденное состояние электронной системы, находящейся в сверхпроводящем состоянии, отделено от основного состояния энергетической щелью ширины Есв. Поэтому квантовые переходы этой системы не всегда будут возможными. При малых скоростях своего движения (отвечающих силе тока, меньшей критической I к) электронная система не будет возбуждаться, а это и означает движение без трения (сверхтекучесть), т. е. без электрического сопротивления.

Ширина энергетической щели Есв с ростом температуры уменьшается и обращается в нуль при критической температуре Тк . Соответственно все куперовские пары разрушаются, и вещество переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние.

15.5.2. Квантование магнитного потока

Существование спаривания электронов в сверхпроводнике (при Т < Тк) было доказано прямыми опытами по квантованию магнитного потока . Рассмотрим сверхпроводящее кольцо, по которому циркулирует сверхпроводящий ток. Пусть электроны движутся по окружности радиуса r со скоростью υ. Энергия тока представляется выражением E = (1/2с )I Ф, где I - сила тока, а Ф - магнитный поток через рассматриваемую окружность, создаваемый этим током. Если N - полное число электронов в кольце, а Т -период обращения, то I = Ne/ T = Ne υ/2 πr. Таким образом, E = Ne υФ/4 πrc. С другой стороны, та же энергия равна E = Nm υ2/2. Приравнивая оба выражения, получим Ф = 2πrcm υ/ e. Если электроны движутся куперовскими парами, то импульс каждой такой пары равен p = 2 m υ, так что Ф = π rср/е. Но импульс куперовской пары может принимать только квантованные значения согласно соотношению р r = пħ = nh/2 π, где п - целое число. Следовательно,

Формула такого вида была получена Ф. Лондоном (1950 г.) еще до создания теории сверхпроводимости. Однако Лондон получил для Ф0 вдвое большее значение по сравнению с тем, что дает формула (15.16). Это объясняется тем, что в 1950 г. явление спаривания электронов еще не было известно. Поэтому для импульса Лондон пользовался выражением р = m υ, а не выражением р = 2 m υ, как сделано выше. Опыт показал правильность формул (15.15) и (15.16) и тем самым подтвердил существование явления спаривания электронов.

Важно отметим следующее обстоятельство. Известно, что в сверхпроводящем кольце можно возбудить незатухающий электрический ток. Например, один из опытов такого рода длился 2,5 года, и все же никакого затухания тока обнаружено не было. На первый взгляд в этом нет ничего удивительного, поскольку в сверхпроводнике не выделяется джоулево тепло, а потому и нет затухания. На самом деле вопрос сложнее. Электроны в сверхпроводящем кольце движутся ускоренно и должны излучать, а это должно привести к затуханию тока . Опыт же показывает, что затухания нет. Противоречие устраняется совершенно так же, как и соответствующее противоречие с излучением в классической теории атома. Чтобы не было излучения, Бор ввел квантовый постулат о стационарных состояниях атома, а де Бройль объяснил это образованием круговой стоячей волной де Бройля. Так, и в сверхпроводящем кольце с током, из лучение не появляется из-за квантования электрического тока. Но это квантование наблюдается уже в макроскопическом масштабе (круговая стоячая волна де Бройля по кольцу с током).

15.5.3. Эффект Мейсснера. Сверхпроводники первого и второго рода

Для сверхпроводящего состояния характерно то, что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводника. Это явление называется эффектом Мейсснера . Если сверхпроводящий образец охлаждается, будучи помещенным в магнитное поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние поле выталкивается из образца, и магнитная индукция в образце обращается в нуль. Формально можно сказать, что сверхпроводник обладает нулевой магнитной проницаемостью (μ = 0). Вещества с μ < 1 называются диамагнетикам и. таким образом, сверхпроводник является идеальным диамагнетиком .

Так как в сверхпроводнике нет магнитного поля, то в его объеме не могут течь и электрические токи, т. е. внутри сверхпроводника j = 0. Это непосредственно следует из теоремы о циркуляции rot H = (4π/c )J . Все токи должны течь по поверхности сверхпроводника.

Эти поверхностные токи возбуждают магнитное поле, компенсирующее внутри проводника внешнее приложенное поле. Таков механизм вытеснения магнитного поля из сверхпроводника, о котором говорится в эффекте Мейсснера.

Эффект Мейсснера очень наглядно проявляется в парении магнита над поверхностью сверхпроводника. На тарелку из сверхпроводника (например, свинцовую), охлажденную до температуры ниже критической, опускается небольшой магнит. При этом в тарелке возбуждаются незатухающие индукционные токи. Отталкивая магнит, эти токи и заставляют его «парить» над тарелкой на определенной высоте. Явление наблюдается и в том случае, когда магнит кладется на тарелку, температура которой выше критической, а затем охлаждением тарелка приводится в сверхпроводящее состояние. Дело в том, что вытеснение магнитного поля из сверхпроводника также сопровождается изменениями магнитных потоков, а следовательно, и возбуждением индукционных токов. Эти токи определяются только взаимным расположением магнита и тарелки и совсем не зависят от того, каким способом было достигнуто это расположение. Поэтому явление будет выглядеть так же, как и при первой постановке опыта.

Достаточно сильное внешнее магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Значение магнитной индукции, при котором это происходит, называется критическим полем и обозначается Вк. Значение Вк зависит от температуры образца. При критической температуре Вк = 0, с понижением температуры значение Вк возрастает, стремясь к Bk0 - значению критического поля при нулевой температуре. Примерный вид этой зависимости показан на рис. 15.19. Если усиливать ток, текущий через сверхпроводник, включенный в общую цепь, то при значении силы тока Iк сверхпроводящее состояние разрушается. Это значение называют критическим током . Значение Iк зависит от температуры. Вид этой зависимости аналогичен зависимости Вк от Т (см. рис. 15.19).

Одним из существенных факторов, определяющих поведение сверхпроводника, является поверхностная

энергия , связанная с наличием границ раздела между нормальной и сверхпроводящей фазами. Эта энергия аналогична энергии поверхностного натяжения на границе раздела двух жидкостей. Она определяется конечной глубиной проникновения магнитного поля из нормальной в сверхпроводящую фазу, притяжением

между электронами куперовских пар, наличием энергетической щели между сверхпроводящей и нормальной фазами и пр. Эта энергия может быть как положительной, так и отрицательной. На это обстоятельство обратил внимание (1957 г.), который ввел деление сверхпроводников на сверхпроводники первого и второго рода . Для первых поверхностная энергия положительна, для вторых отрицательна. К сверхпроводникам первого рода относится большинство чистых металлов, а второго рода - подавляющее число сплавов, а также многие чистые металлы с примесями и все высокотемпературные сверхпроводники. В сверхпроводниках первого рода наблюдается эффект Мейсснера, в сверхпроводниках второго рода - не всегда. Сверхпроводник второго рода может находиться в сверхпроводящем и смешанном состояниях . В сверхпроводящем состоянии имеет место эффект Мейсснера, в смешанном - нет. На рис. 15.20 кривая B = B к1(Т) определяет магнитное критическое поле, при котором находятся в равновесии сверхпроводящая и смешанная фазы. Аналогично, кривая B = B к1(Т) соответствует равновесию между сверхпроводящей и нормальной фазами. Область температур и магнитных

полей, при которых металл находится в сверхпроводящем состоянии, обозначена двойной штриховкой, область смешанного состояния - простой штриховкой, а область нормального состояния не заштрихована. Для сверхпроводников первого рода смешанного состояния не существует. Понятно, что в сверхпроводнике должно реализоваться состояние минимума полной энергии, включающей поверхностную. По этой причине и возникает смешанное состояние. В сверхпроводник в смешанном состоянии внешнее магнитное поле проникает через нити конечного поперечного сечения . Конечное сечение получается потому, что из области, занятой магнитным полем, происходит его проникновение в окружающее пространство, находящееся в сверхпроводящем состоянии, причем этот процесс характеризуется конечной глубиной проникновения. Тело пронизано нитями, через которые проходят магнитные потоки, а сами нити отделены одна от другой промежутками, сохраняющими сверхпроводимость, если только расстояние между соседними нитями превышает примерно удвоенную глубину проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Существенно, что магнитный поток через поперечное сечение нити квантуется . Энергетически выгодно, чтобы через каждую нить проходил один квант магнитного потока. Действительно, рассмотрим две нити радиуса r , через каждую из которых проходит один квант магнитного потока. Суммарный магнитный поток через обе нити равен 2π r2Н. Пусть обе нити сливаются в одну радиуса R. Тогда тот же магнитный поток будет πR2 H. Сравнивая оба выражения, находим R = r √2. Поэтому длина окружности поперечного сечения нити, образовавшейся в результате слияния, будет 2 πR = 2π r √2, тогда как сумма длин окружностей поперечных сечений первоначальных двух нитей больше, так как она равна 2π r ∙2. Таким образом, слияние двух нитей уменьшает боковую поверхность , по которой нити граничат с окружающим пространством. Это ведет к энергетически невыгодному увеличению поверхностной энергии, поскольку она отрицательна. Итак, через тело проходит магнитное поле, но оно сохраняет сверхпроводимость благодаря наличию сверхпроводящих промежутков между нитями. При усилении магнитного поля число нитей в теле увеличивается, а сверхпроводящие промежутки между ними сокращаются. В конце концов магнитное поле начинает пронизывать все тело, и сверхпроводимость исчезает.

Сверхпроводящие сплавы благодаря высоким значениям критических магнитных полей Нк2 нашли широкое применение при изготовлении обмоток соленоидов, предназначенных для получения сверхсильных магнитных полей (Гс и больше). Сверхпроводники I рода для этой цели не годятся из-за низких значений критических магнитных полей, разрушающих сверхпроводимость.

15.5.4. Эффект Джозефсона

На основе теории сверхпроводимости Б. Джозефсон (1962 г.) предсказал эффект протекания сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой диэлектрика (пленка оксида металла толщиной ≈ 1 нм), разделяющий два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона).

Электроны проводимости проходят сквозь диэлектрик благодаря туннельному эффекту. Если ток через контакт Джозефсона не превышает некоторого критического значения, то падения напряжения на нем нет (стационарный эффект Джозефсона), если превышает - возникает падение напряжения U и контакт излучает электромагнитные волны (нестационарный эффект Джозефсона). Частота v излучения связана с U на контакте соотношением v = 2eU/ h (е - заряд электрона). Возникновение излучения объясняется тем, что куперовские пары (они создают сверхпроводящий ток), проходя сквозь контакт, приобретают относительно основного состояния сверхпроводника избыточную энергию. Возвращаясь в основное состояние, они излучают квант электромагнитной энергии hv = 2eU.

Эффект Джозефсона используется для точного измерения очень слабых магнитных полей (до 10-18 Тл), токов (доА) и напряжений (доВ), а также для создания быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ и усилителей.

Долгое время сверхпроводящее состояние различных металлов и соединений удавалось получить лишь при весьма низких температурах, достижимых с помощью жидкого гелия. К началу 1986 г. максимальное наблюдавшееся значение критической температуры составляло 23 К. В гг. был обнаружен ряд высокотемпературных сверхпроводников с критической температурой порядка 100 К. Такая температура достигается с помощью жидкого азота . В отличие от гелия жидкий азот получают в промышленном масштабе.

Огромный интерес к высокотемпературным сверхпроводникам обусловлен, в частности, тем, что материалы с критической температурой порядка 300К произведут подлинную техническую революцию. Например, использование сверхпроводящих линий электропередач полностью устранит потери мощности в проводах.