(от лат. excito - возбуждаю)
квазичастица (См.
Квазичастицы), представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы. Представление об Э. было введено в 1931 Я. И. Френкелем (См.
Френкель)
. Он объяснял отсутствие фотопроводимости (См.
Фотопроводимость) у диэлектриков при поглощении света тем, что поглощённая энергия расходуется не на создание носителей тока, а на образование Э. В молекулярных кристаллах (См.
Молекулярные кристаллы)
Э
. представляет собой элементарное возбуждение электронной системы отдельной молекулы, которое благодаря межмолекулярным взаимодействиям (См.
Межмолекулярное взаимодействие) распространяется по кристаллу в виде волны (
экситон Френкеля). Э. Френкеля проявляются в спектрах поглощения и излучения молекулярных кристаллов (см.
Спектроскопия кристаллов)
. Если в элементарной ячейке молекулярного кристалла содержится несколько молекул, то межмолекулярное взаимодействие приводит к расщеплению экситонных линий. Этот эффект, называемый давыдовским расщеплением, связан с возможностью перехода Э. Френкеля из одной группы молекул в другую в пределах элементарной ячейки. Давыдовское расщепление экспериментально обнаружено в ряде молекулярных кристаллов (нафталине, антрацене, бензоле и др.).
В полупроводниках (См.
Полупроводники) Э. представляет собой водородоподобное связанное состояние электрона проводимости и дырки (
экситон Ванье-Мотта). Энергии связи
E* и эффективные радиусы
a* Э. Ванье-Мотта можно оценить по формулам Н. Бора для атома водорода, учитывая, что эффективные массы (См.
Эффективная масса) электронов проводимости
mэ и дырок
mд отличаются от массы свободного электрона
mo и что кулоновское взаимодействие электрона и дырки в кристалле ослаблено диэлектрической проницаемостью среды ε:
E*= эв; (1)
а* =
см.
Здесь
,
ħ ―
Планка постоянная,
е - заряд электрона. Формулы (1) не учитывают влияния сложной зонной структуры кристалла, взаимодействия электронов и дырок с
Фононами
. Однако учёт этих факторов не меняет порядок величин
E* и
а*. Для Ge, Si и полупроводников типов A
IIIB
V и A
II B
VI m* Экситон 0,1
то,
ε
Экситон 10, что приводит к значениям
E* Эксит
он 10
―2эв,
и
а* Эксит
он 10
―6 см. Т. о., энергии связи Э. Ванье - Мотта во много раз меньше, чем энергия связи электрона с протоном в атоме водорода, а радиусы Э. во много раз больше межатомных расстояний в кристалле. Большие значения
а* означают, что Э. в полупроводниковых кристаллах - макроскопическое образование, причём структура кристалла определяет лишь параметры
m* и
E*. Поэтому Э. Ванье - Мотта можно рассматривать как квазиатом, движущийся в вакууме. Искажения структуры кристалла, вносимые Э. или даже большим числом Э., пренебрежимо мало. В кристаллах галогенидов щелочных металлов и инертных газов
E* Эксит
он 0,1-1
эв,
а* Экситон 10
―7- 10
―8 см и образование Э. сопровождается деформацией элементарной ячейки.
Э. Ванье-Мотта отчётливо проявляются в спектрах поглощения полупроводников в виде узких линий, сдвинутых на величину
E* ниже края оптического поглощения. Водородоподобный спектр Э. Ванье - Мотта впервые наблюдался в спектре поглощения Cu
2O, в дальнейшем в др. полупроводниках. Э. проявляются также в спектрах люминесценции (См.
Люминесценция), в фотопроводимости, в
Штарка эффекте и
Зеемана эффекте
. Время жизни Э. невелико: электрон и дырка, составляющие Э., могут рекомбинировать с излучением фотона, например в Ge время жизни Э. порядка 10
―5 сек. Э. может распадаться при столкновении с дефектами решётки.
При взаимодействии Э. с фотонами, имеющими частоты ω =
, возникают новые квазичастицы - смешанные
экситон-фотонные состояния, называемые поляритонами. Свойства поляритонов (например, их закон дисперсии) существенно отличаются от свойств как Э., так и фотонов. Поляритоны играют существ. роль в процессах переноса энергии электронного возбуждения в кристалле, они обусловливают особенности оптических спектров полупроводников в области экситонных полос и др.
При малых концентрациях Э. ведут себя в кристалле подобно газу квазичастиц. При больших концентрациях становится существенным их взаимодействие. Возможно образование связанного состояния двух Э. - экситонной молекулы (биэкситона). Однако, в отличие от молекулы водорода, энергия диссоциации биэкситона значительно меньше, чем его энергия связи (эффективные массы электронов и дырок в полупроводниках одного порядка).
При повышении концентрации Э. расстояние между ними может стать порядка их радиуса, что приводит к разрушению Э. Это может сопровождаться возникновением "капель" электронно-дырочной плазмы (см.
Электронно-дырочная жидкость)
. Образование электронно-дырочных капель в таких полупроводниках, как Ge и Si, сказывается в появлении новой широкой линии люминесценции, сдвинутой в сторону уменьшения энергии фотона. Электронно-дырочные капли обладают рядом интересных свойств: высокой плотностью электронов и дырок при малой (средней по объёму) концентрации, большой подвижностью в неоднородных полях и т.п.
При малых концентрациях экситонов Э., состоящий из двух
Фермионов (электрона проводимости и дырки), можно рассматривать как
Бозон. Это означает, что возможна бозе-конденсация Э. (накопление большого числа Э. на наинизшем энергетическом уровне). Бозе-конденсация Э. может привести к существованию в кристалле незатухающих потоков энергии. Однако, в отличие от сверхтекучего жидкого гелия (См.
Гелий) или сверхпроводника (См.
Сверхпроводники),
сверхтекучий поток Э. может существовать не сколь угодно долго, а лишь в течение времени жизни Э.
Лит.: Гросс Е. Ф., Экситон и его движение в кристаллической решетке, "Успехи физических наук", 1962, т. 76, в. 3; Нокс Р., Теория экситонов, пер. с англ., М., 1966; Агранович В. М., Теория экситонов, М., 1968; Давыдов А. С., Теория молекулярных экситонов, М., 1968; Экситоны в полупроводниках, [Сб. статей], М., 1971; Осипьян Ю. А., Физика твердого тела выходит на передовые позиции, "Природа", 1975, № 10.
А. П. Силин.
Инфракрасная фотография электронно-дырочной капли в Ge: 1 - образец германия; 2 - электронно-дырочная капля.