Обменного взаимодействия

Помимо тепловой генерации имеются другие механизмы, приводящие к возникновению свободных носителей заряда. Например, они могут образоваться при облучении полупроводника светом, за счет разрыва валентных связей в сильных электрических полях или в результате инжекции с помощью р-п перехода (см. §3.3). Во всех случаях возникает некоторая концентрация электронов п и дырок р, которая отличается от равновесной соответственно на д/г и др.

При облучении полупроводника наряду с генерацией неравновесных носителей заряда происходит и обратный процесс — рекомбинация. Через некоторое время после начала облучения устанавливается динамическое равновесие между генерацией и рекомбинацией. При этом избыточная концентрация, например, электронов

При облучении полупроводника медленными нейтронами в нем происходят радиоактивные изменения, в результате которых в исходном кристалле появляются примеси посторонних элементов. В германии, например, при нейтронном облучении появляются примеси галлия и мышьяка. Так как образование атомов галлия при этом происходит в три раза быстрее, чем атомов мышьяка, то общая электропроводность определяется избытком галлия, т. е. бомбардировка германия нейтронами приводит к появлению дырочной электропроводности.

При облучении полупроводника быстрыми нейтронами наряду с радиоактивными превращениями в кристалле происходит образование дефектов, подобных тем, какие образуются под действием быстрых электронов, и приводящих к появлению акцепторных уровней в кристалле.

Световая генерация носителей заряда возникает при облучении полупроводника световым потоком. Различают биполярную и монополярную световую генерацию. В первом случае энергия hv поглощенного полупроводником фотона расходуется на разрыв валентной связи собственных атомов полупроводника. При.этом образуются подвижные носители обоих знаков: электроны и дырки, что и определяет наименование этого вида генерации (биполярная).

Фотопроводимость. Иными словами, при облучении полупроводника светом его проводимость изменяется на некоторую величину, называемую фотопроводимостью.

Световая генерация носителей заряда возникает при облучении полупроводника световым потоком. Различают биполярную и монополярную световую генерацию. В первом случае энергия hv поглощенного полупроводником фотона расходуется на разрыв валентной связи собственных атомов полупроводника. При.этом образуются подвижные носители обоих знаков: электроны и дырки, что и определяет наименование этого вида генерации (биполярная).

Фотопроводимость. Иными словами, при облучении полупроводника светом его проводимость изменяется на некоторую величину, называемую фотопроводимостью.

Внутренний фотоэффект. При облучении полупроводника могут появляться дополнительные носители заряда в результате поглощения энергии фотонов; средняя тепловая энергия решетки при этом практически не изменяется. Такие носители, возникающие в результате внешнего нетеплового возбуждения, называются неравновесными. В частности, под влиянием света, возникают неравновесные фотоэлектроны и фотодырки, увеличивается проводимость полупроводника. Во многих случаях проводимость освещенного полупроводника (световая) может во много раз превосходить проводимость в темноте (темповую). Это явление называют внутренним фотоэффектом. При освещении фотоносители могут перебрасываться в зону проводимости с примесных уровней Или из валентной зоны. В последнем случае энергия фотона W$ = hf, требуемая для образования пары электрон-дырка, должна быть равна или больше значения WQ — энергии запрещенной зоны: hf 5= W0, где/ — частота света, h — постоянная Планка. Появившиеся фотоносители находятся в свободном состоянии очень недолго вследствие процесса рекомбинации с носителями противоположного знака. Зависимость концентрации носителей после прекращения облучения, от времени, например, для электронов имеет вид:

где /г„ — концентрация равновесных носителей зарядов (электронов) до облучения (темповая), пф — дополнительная концентрация неравновесных носителей, вызываемая фотонами, тпф — постоянная времени — отрезок времени, за который концентрация фотоносителей (электронов) уменьшается в е = 2,7 раза. Это время тпф называют временем жизни неравновесных носителей; оно составляет для фотоэлектронов (или фотодырок) величину порядка 1(Г3 -=- 1(Г7 сек. При непрерывном облучении полупроводника появляются все новые фотоносители; в среднем такое же количество рекомбинирует, в результате устанавливается динамическое равновесие. Фотопроводимость ^Ф пропорциональна интенсивности освещения Ф, подвижности фотоносителей «п и ир и среднему времени их жизни тяф и трф:

Вентильный фотоэффект. При облучении полупроводника, содержащего электронно-дырочный переход, помимо изменения проводимости нередко возникает разность потенциалов на электродах. Один из электродов, на который падает лучистый поток, должен быть полупрозрачным. Появление этой разности потенциалов обязано так называемому вентильному-фотоэффекту. В результате поглощения лучистой энергии в полупроводнике образуются новые фотоэлектроны и фотодырки. Фотоэлектроны, оказываясь в зоне действия контактного поля, перебрасываются им в область п. Аналогичные процессы переброса претерпевают дырки. В результате этого электрод на га-области зарядится отрицательно, а прилегающий к дырочному полупроводнику электрод зарядится положительно. Таким образом, вентильный эффект, можно рассматривать как появление избыточной концентрации электронов в «-области и дырок в р-области, появившихся под воздействием лучистой энергии. Рост концентрации электронов в «-области и концентрации дырок во второй р-области будет постепенно замедляться, так как одновременно начнет увеличиваться создаваемое ими поле обратного направления, препятствующее переходу неосновных носи-, телей заряда через запорный слой; в конце концов установится равновесная концентрация зарядов и соответствующая электродвижущая сила. На этом принципе основаны источники тока, непосредственно преобразующие энергию солнца или атомного ядра в энергию электрического тока — солнечные и -атомные батареи. ,

Качественное объяснение этого состоит в следующем. Силы обменного взаимодействия стремятся удержать магнитные моменты соседних атомов ближе к параллельной ориентации, т. е. расширить доменную границу. Силы, обусловленные энергией магнитной анизотропии, наоборот, стремятся уменьшить толщину доменной границы, так как на протяжении этого слоя происходит поворот вектора намагниченности от одного направления легкого намагничивания к другому, что связано с увеличением энергии магнитной анизотропии. Благодаря этим двум противоположным тенденциям устанавливается определенная толщина доменной границы бгр, соответствующая минимальному значению удельной (на единицу площади) энергии граничного слоя -угр.

В первом случае между молекулами травителя и поверхностью полупроводника существуют или силы обменного взаимодействия, или кулоновского притяжения, в зависимости от типа поверхности и адсорбированных компонентов; во втором случае молекулы травителя удерживаются на поверхности слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Соответственно энергия активации адсорбции при хемосорбции оказывается существенно выше, чем при физической адсорбции. Измерение этой

Силы обменного взаимодействия, стремящиеся ориентировать спины параллельно друг другу, очень велики: они эквивалентны напряженности внешнего магнитного поля порядка 107 а/см. Линейные размеры отдельных

Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как мягнит-ные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетиков. Выше некоторой критической температуры, которая получила название температуры Нееля (аналогична температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антиферромагнетика разрушается и он переходит в парамагнитное состояние.

для группы железа (железо, никель, кобальт) и для редкоземельного элемента — гадолиния. Эти элементы и относятся к ферромагнитным. Изменение межатомных расстояний в решетке при образовании некоторых сплавов типа твердых растворов или химических соединений может сказаться на характере обменного взаимодействия. Так, при введении азота в марганец увеличиваются расстояния между атомами марганца, возрастает значение а/г (см. 17.2) л и сплав приобретает ферромагнитные свойства. Аналогично ведут себя сплавы марганца с сурьмой; марганца с алюминием и серебром и др. Если атомы расположены в кристаллической решетке относительно далеко друг от друга, то обменное взаимодействие мало и вещество не обладает ферромагнитными свойствами. Другим крайним случаем' является чрезмерное сближение атомов; при этом значение интеграла обменной энергии становится отрицательным, что соответствует антипараллельной ориентации спинов; это является энергетически более выгодным. Вещества с антипараллельным расположением спинов называют антиферромагнетиками; к ним принадлежат, например, марганец и хром. Магнитные свойства ферритов тесным образом связаны с явлением антиферромагнетизма.

Оставался неясным второй вопрос: под действием каких сил спиновые магнитные моменты электронов внутри домена выстраиваются параллельно друг другу, намагничивая домен до насыщения? В 1928 г. Френкелем было высказано предположение, что такие силы возникают в результате обменного взаимодействия электронов внутренних недостроенных оболочек этих атомов. Это взаимодействие имеет чисто квантовую природу и ответственно, в частности, за химическую связь в молеулах Н2, О2 и др., в кристаллах алмаза, кремния, германия и др., о чем говорилось в § 1.4. Энергия этого взаимодействия определяется соотношением (1.6):

Ферромагнитные свойства у вещества возможны лишь при достаточно большом значении обменного взаимодействия, что характерно для кристаллов железа, кобальта, никеля и др. Зависимость (качественная) интеграла обменной энергии от расстояния между атомами кристаллов изображена на 2.

Необходимое значение обменного взаимодействия ферромагнетики имеют лишь в твердом состоянии. Этим объясняется отсутствие в природе жидких * и газообразных ферромагнетиков. Ферромагнетизм сплавов, целиком состоящих из «парамагнитных» компонентов, объясняется тем, что в этих сплавах, основой которых обычно является марганец или хром, введение в решетку марганца атомов висмута, сырьмы, серы и др., а в решетку хрома атомов серы и теллура изменяет электронную структуру кристаллов, в результате чего создаются условия для возникновения магнетизма.

б) домены в результате отрицательного обменного взаимодействия между электронами исходных атомов кристаллической решетки ориентируются антипарял-лельно друг другу и их суммарный момент равен нулю.

Вопрос о физической причине самопроизвольного намагничивания был принципиально разрешен в 1928 г. Я. И. Френкелем и затем Гейзенбергом, которые показали, что сильная ориентировка электронных спинов вызывается так называемыми силами обменного взаимодействия. Наличие этого нового класса сил, не объяснимого в классической физике, было выяснено лишь с развитием новой, квантовой физики атома.

Силы обменного взаимодействия вызывают в ферромагнетиках параллельную ориентировку электронных спинов. Однако обменные силы зависят от структуры тела и поэтому характер вызываемой ими ориентировки спинов может быть различен. Оказывается, что существуют вещества, в которых также возникает сильная ориентировка электронных спинов, но, в отличие от ферромагнетиков, электронные спины ориентированы в них попарно ангпи-параллельно. В простейшем случае электронные спины образуют как бы две пространственные подрешетки, вставленные друг в друга, намагниченные в противоположных направлениях ( 249).