Физическая энциклопедия - экситон

(от лат. excito возбуждаю), квазичастица, соответствующая электронному возбуждению в кристалле диэлектрика или ПП, мигрирующему по кристаллу, но не связанному с переносом электрич. заряда и массы. Представление об Э. введено в 1931 Я. И. Френкелем. В мол. кристаллах (где вз-ствие между отд. молекулами значительно слабее, чем вз-ствие между атомами и эл-нами внутри молекулы) Э.

возбуждение электронной системы отд. молекулы. Благодаря межмолекулярным взаимодействиям оно распространяется по кристаллу в виде волны (Э. Френкеля). Э. Ванье Мотта представляет собой водородоподобное связанное состояние эл-на проводимости и дырки в полупроводнике. Энергии связи ?* и эфф. радиусы а* Э. Ванье Мотта можно оценить по ф-лам Бора для атома водорода, учитывая, что эффективные массы эл-нов проводимости m*э и дырок m*д отличаются от массы свободного эл-на m0 и что кулоновское притяжение эл-на и дырки ослаблено диэлектрич. проницаемостью e: m* =mэmд/(mэ+mд) приведённая масса Э., е заряд эл-на. Учёт сложной зонной структуры и вз-ствия эл-нов и дырок с фононами меняет порядок величин ?* и а*. Для Ge, Si и ПП типа АIIIВV и AIIBV обычно m* = 0,1m0, e=10; при этом ? =10-2 эВ и а* =10-6 см. Т. о., энергия связи Э. Ванье Мотта во много раз меньше, чем энергия связи эл-на с протоном в атоме водорода, а радиусы Э.

во много раз больше межат. расстояний в кристалле. Большие значения а* означают, что в ПП Э.макроскопич. образование. Эффективная масса, соответствующая движению его (как целого): М=mэ+mд. Для щёлочно-галоидных кристаллов и кристаллов благородных газов ?*=1 эВ, а*=10-7-10-8 см; такие Э. занимают промежуточное положение между Э. Френкеля и Э.

Ванье Мотта. Образование Э. сопровождается деформацией элем. ячейки. Время жизни т Э. невелико: эл-н и дырка рекомбинируют с излучением фотона, обычно за время t=10-5-10-7 с. Кроме того, Э. может погибнуть безызлучательно, напр. при захвате дефектами решётки.

При малых концентрациях Э. ведут себя в кристалле подобно газу. При больших концентрациях становится существенным их вз-ствие и возможно образование связанного состояния двух Э.экситонной молекулы (биэкситона). При достижении нек-рой критич. концентрации (зависящей от темп-ры) в ПП происходит «сжижение» экситонного газа образование относительно плотной электронно-дырочной фазы (электронно-дырочных капель), обладающей металлич.

св-вами. При этом расстояние между ч-цами порядка радиуса Э. Электронно-дырочные капли обладают высокой плотностью (при малой средней по объёму концентрации Э.), большой подвижностью в неоднородных полях. Э. состоит из двух фермионов, поэтому его можно рассматривать как бозон. Это означает, что в принципе возможна бозе-конденсация Э. (либо биэкситонов), приводящая к существованию в кристалле потоков энергии, не затухающих в течение времени жизни Э. Однако это явление пока не наблюдалось. .