seka Suintegravus pagal x nuo 0 iki d gauname maksimalią injektuotos srovės tankį (erdvinio krūvio ribotą srovė EKRS)

Transcript

1 Srovė dielektrike Krūvininų pernaša dielektrike skiriasi nuo pernašos puslaidininkyje, kur judantis krūvis yra neutralizuojamas pusiausvyrųjų krūvininkų greičiau negu nudreifuoja tarp elektrodų. Dielektrike dielektrinės relaksacijos trukmė didesnė negu lėkio trukmė. τ ς = εε 0 ς t tr = d2 μu Tai galioja mažo laidumo medžiagose, arba esant stipriems elektriniams laukams, arba mažiems dariniams. Šiuo atveju abiejų ženklų krūvininkai juda nepriklausomai. Esant ominiam kontaktui iš Puasono ir srovės lygčių j = ρ x E x μ ; de = ρ seka dx εε 0 E x = 2jx εε 0 μ Suintegravus pagal x nuo 0 iki d gauname maksimalią injektuotos srovės tankį (erdvinio krūvio ribotą srovė EKRS) j = 9 8 εε 0μ U2 d 3 Esantprilipimui, prilipęs krūvis ekranuoja elektrinį lauką, tuo sumažindamas krūvininkų injekciją. Dėl to srovė sumažėja prilipimo faktoriaus dydžiu. Tik pilnai užpildžius prilipimo lygmenis, kurių tankis M, kai U > emd2, srovė grįžta prie vertės be prilipimo. εε 0 Dviguba injekcija Kraštinės sąlygos abu kontaktai ominiai: katodas elektronams, anodas skylėms, t.y. E(0) = 0 ir E(d) = 0. Tada prijungus stačiakampį įtampos impulsą iki krūvininkų susitikimo srovės kinetika bus suma elektrodų ir skylių EKRS, po to jie neutralizuos vieni kitus ir srovė tiesiškai didės, kurios augimą ribos rekombinacija: dn dt = G n τ = CU a edt n tr τ = εε 0 U 2 ed μ n μ p n τ Tada soties srovė j = 7εε 0 μ n μ p τ U3 d 5 Taigijigalioja, kai lėkio trukmė su ambipoliniu judriu lygi rekombinacijos trukmei. Esant prilipimui srovės augimas užlaikomas iki pilnai užpildomi prilipimo lygmenys. Srovės kinetika

2 Srovės kinetika, prijungus įtampos impulsą, arba fotogeneravus krūvininkus stipriai sugeriama šviesa pro šviesai skaidrų elektrodą gaunama iš ir Puasono lygčių, suintegravus per tarpelektrodinį nuotolį Kai injektuojamas krūvio kiekis Q<<CU, tada turime mažo krūvio dreifo srovę j(t) = Q/t tr, kai t<t tr ir lygi, kai t>t tr. Erdvinio krūvio ribotos srovės atveju toliau mažėja osciliuodama iki stacionarios vertės. Netvarus darinys Kietojo kūno fizikoje laikoma, kad atomai erdvėje išsidėstę tvarkingai, t.y. pagal erdvinės transliacijos simetriją. Dėl tarpatominės sąveikos potencinio lauko periodiškumo elektronas kristale aprašomas bėgančia Blocho banga. Tai leido sukurti elektrono būsenų juostinį modelį ir aprašyti elektrono elegesį kaip laisvos dalelės su kvaziimpulsu ir efektine mase. Atomų šiluminiai virpesiai ar struktūriniai defektai sąlygojo elektronų sklaidą, kurią galima aprašyti klasikine Bolcmano kinetine lygtimi. Bet visa tai galioja kol laisvo lėkio nuotolis l daug didesnis už Blocho bangos ilgį ar tarpatominį atstumą a. Tačiau jei atomai išsidėstę netvarkingai ir laisvo lėkio nuotolis palyginamas su Blocho bangos ilgiu, tai pagal Heizenbergo neapibrėžtumo principą k x > 2π kai x ~ λ, tai k > k, t.y. Blocho bangos banginis skaičius neapibrėžtas savo verte. Jeigu elektronas sklaidomas kiekvienu atomu, tai gauname, kad k 2π/a t.y. Blocho bangos banginis skaičius neapibrėžtas visoje Briljueno zonoje. Taigi tuo atveju k nebetinkamas aprašyti elektrono būsenai kristale, nebegalioja k atrankos taisyklė, nebegalima naudoti efektinės masės artinio. Taigi elektrono elgesiui aprašyti netinka klasikinė kietojo kūno, tiksliau kristalinio kūno fizika. Bendru atveju, tai visi kūnai, išskyrus idealų kristalą. Idealiausias netvarkus darinys, tai idealios dujos, kur atomo padėtis nepriklauso nuo kitų atomų padėties. Tačiau reliai tai kūnas, kuriame yra artimoji tvarka, bet nėra tolimosios transliacijos simetrijos. Tai kristalas su daug priemaišų, mikro- ir nanokristalinis kūnas, amorfinis kūnas, skystis.

3 Ryšys su kristalo fizika Kietojo kūno fizikoje pagal kvazilaisvo elektrono teoriją draudžiamų energijų tarpą sąlygojo elektrono bangos atspinys nuo kristalografinių plokštumų. Netvarkiame darinyje nėra erdvinės simetrijos, bet, pavyzdžiui, stikle amorfiniame kūne stebima optinio pralaidumo raudonoji riba atitinkanti draudžiamų energijų tarpą. Kietojo kūno fizikoje skylės įvestos remiantis Briljueno zonų periodiškumu. Netvarkiame darinyje nėra Briljueno zonų, tačiau dauguma netvarkių darinių yra kaip tik skylinio laidumo medžiagos. Ir dar. Skysto metalo laidumas nežymiai skiriasi nuo kristalinio, t.y. netvarka gali tik nežymiai įtakoti elektronų elgesį. Taigi nors kietojo kūno fizika sukurta remiantis tvarkingu atomų išsidėstymu erdvėje, ji gali būti dalinai taikoma ir netvarkių darinių aprašymui. Būsenų tankis netvarkiuose dariniuose Žinant konkretų atomų išsidėstymą erdvėje kompiuterių pagalba galima skaičiuoti energinį būsenų pasiskirstymą N(E). Kokybiškai tai galima įvertinti remiantis kieto kūno teorija. Netvarkų kūną galima sudaryti išstumdant atomus atsitiktiniu vidiniu potenciniu lauku V(x)/ Tada pagal lėtai kintančio erdvėje potencinio lauko teoriją E(k)+V(x) = const gauname paveikslą: Netvarkų kūną galima įsivaizduoti kaip kristalą su kintamu gardelės periodu a(x). Tada pagal kvazisurišto elektrono teoriją gauname tokią būsenų tankio funkciją N(E): Pagal lokalinio potencinio lauko įtaką elektrono būsenoms kristale teoriją seka lokalių būsenų susidarymas, kurių energinė padėtis priklauso nuo trikdžio dydžio. Kadangi netvarkiame darinyje su

4 didesne ar mažesne tikimybe galimi bet kokio dydžio trikdžiai, tai galimos būsenos su bet kokia energija. Taigi nėra draudžiamo būsenų energinio tarpo. Žinant N(E) ir elektronų Fermi-Dirako pasiskirstymo funkciją galima rasti elektronų tankio energinį pasiskirstymą, tačiau to nepakanka norint įvertinti netvarkaus kūno elektrinį laidumą, nes galimybė elektronui judėti priklauso ir nuo jo energinės padėties, ir nuo koordinatės. Taigi tai vėl daugelio kūnų problema. Krūvininkų pernaša Kristale esant prilipimo lygmenims krūvininkų dreifinis judris sumažėja tiek kartų, kiek terminio išlaisvinimo iš prilipimo lygmens trukmė didesnė negu pagavimo trukmė. Netvarkiuose dariniuose, esant pagal energijas pasiskirsčiusioms būsenoms, krūvininkų pernaša stochastinė, nes terminio išlaisvinimo tikimybė priklauso nuo to, į kokios energijos būseną prilipo krūvininkas. Pradžioje krūvininkai prilimpa į seklesnes būsenas, nes jų tankis didesnis. Su laiku jie vis prilimpa gilesnėse būsenose, nes jose išlaisvinimo trukmė ilgesnė. Todėl su laiku dreifinis krūvininkų judris mažėja. Pavyzdžiui, esant eksponentiniam būsenų pasiskirstymui nuo energijos Tada dreifinis judrumas m(e) prilipusių elektronų tankis, n laisvų elektronų tankis. Integravimo riba E + atitinka energiją iš kurios laiku t prilipės elektronas spėja termiškai išsivaduoti Taigi gauname, kad judris, o tuo pačiu ir srovė po fotosužadinimo relaksuoja

5 Iš lėkio trukmės t tr kai elektronai nudreifuos tarpelektrodinį nuotolį d nustatomas dreifinis judris. Tai tipiška netvarkiems dariniams dispersinė krūvininkų pernaša, sąlygojanti judrio priklausomybę nuo elektrinio lauko stiprio F ir bandinio storio. Esant energiniam būsenų pasiskirstymui dispersijos koeficientas α = T/T 0 priklauso nuo temperatūros, tuo metu koordinatinio būsenų pasiskirstymo atveju α nepriklauso nuo temperatūros. Elektrinio laidumo priklausomybė nuo temperatūros Pagal MCFO (Mott, Coen, Fritche, Ovshinski) modelį Fermi lygmuo E F randasi tankio minimumo aplinkoje. Tai sąlygota valentinės ir laidumo būsenų persiklojimo. Esant dideliam būsenų tankiui ties Fermi lygmeniu medžiaga nejautri priemaišų legiravimui, nes norint pakeisti Fermio lygmens padėtį reikia užpildyti lokalias būsenas. Taip pat medžiaga nefotojautri, nes fotogeneruoti krūvininkai labai greitai termalizuojasi per lokalias būsenas. Tai metalo analogas, nes laidumą sąlygoja elektronų pernaša ties Fermi lygmeniu. Įdomu tai, kad šuolio energija priklauso nuo temperatūros: žemoje temperatūroje didesnė tikimybė krūvininkui šokti didesnį atstumą su mažesne energija, o aukštoje arti, nes didesnė tikimybė gauti energiją. Rasim optimalumą pagal nekoordinuotą būsenų išsidėstymą. Atstumu R tarp E ir E+dE yra 4/3πR 3 N(E)dE būsenų. Taigi tikimybė šokti atstumu R Optimalų šuolį nustatome pagal eksponentės rodiklio minimumą, t.y. kai Tai Motto ¼ dėsnis, kai būsenų tankis ties Fermi lygmeniu mažas, tai elektrinį laidumą apsprendžia elektronų pernaša ties judrumo kraštu, o medžiagos savybės analogiškos puslaidininkiui: laidumas aktyvuotai priklauso nuo temperatūros, jautrus priemaišų legiravimui, fotojautrus. Bendru atveju stebimi abu atvejai: aukštoje temperatūroje vyrauja laisvų krūvininkų pernaša, o žemoje elektronų ties Fermi lygmeniu. Krūvininkų rekombinacija Kristale, kur krūvininko vieta neapibrėžta, rekombinacija nulemta tikimybės atiduoti energiją: ar išspinduliuoti fotoną spindulinė rekombinacija, ar kitam elektronui Ože rekombinacija, ar per gilias būsenas sužadinant fotonus. Pastaroji priklauso nuo gilių būsenų koncentracijos. Netvarkiuose

6 dariniuose, kur daug lokalių būsenų, pagal tai turėtų būti labai sparti rekombinacija, tačiau čia ji nulemta elektrono ir skylės susitikimo erdvėje tikimybės, nes tik susitikę atstumu arčiau negu Kulono radiusas jie rekombinuoja, panačiai kaip dvynių rekombinacijoje. Ji galioja, jei energijos sklaidos ar šuolio nuotolis mažesnis negu Kulono radiusas. Tai Lanževeno bimolekulinė difuzinė rekombinacija, nors nulemta tarpusavio Kuloninės traukos dreifo trukmės Taigi bimolekulinės rekombinacijos koeficientas B L =e(µ n +µ p )/ɛɛ 0. Matyti, kadnetvarkiuosedariniuoserekombinaciją lemia krūvininkų pernaša. Energijos balanso lygtis F = qe ; E x E = e F v x t t dr <ε> 3 τ E 2 kt = ef 2 μ 0 ε τ E, kai F didėja, tai <ɛ>>3/2 kt =><ɛ elek >>> ɛ gardelės, reiškia elektronas nėra šiluminėje pusiausvyroje su kristaline gardele ir elektronai įgyja daugiau energijos, nei spėja atiduoti gardelei sąveikos metu. Elektronų temperatūra tampa didesnė už gardelės. Šiluminė pusiausvyra bus tada kai <ɛ>= 3/2 kt Stipriuose elektriniuose laukuose, kai elektrono energija viršija šiluminę, pagal energijos balanso lygtį Tamprios sąveikos atveju, kai elektronų tarpusavio pusiausvyra nusistovi greičiau negu su gardele, kai ΔE<kT, tai turime šiltus elektronus. Šiltų ir karštų elektronų sklaida ir energijos disipacija Stipriuose elektriniuose laukuose, kai elektrono energija viršija šiluminę, pagal energijos balanso lygtį Tamprios sąveikos atveju, kai elektronų tarpusavio pusiausvyra nusistovi greičiau negu su gardele, kai ΔE<kT, tai turime šiltus elektronus. Tada kur. Sklaidant akustiniais fononais τ k ~ E -1/2, tai judris mažėja stiprinant elektrinį lauką:

7 Tuo metu, kai sklaidant jonizuotom priemaišom p=3/2, tai judris didėja. Kai ΔE>kT turime karštus elektronus, tada esant tampriai sklaidai akustiniais fononais laisvo lėkio nuotolis l nepriklauso nuo krūvininko energijos, tai. Sklaidant Toliau stiprinant elektrinį lauką, kai ΔE pasiekia optinio fonono energiją, stipri plastinė elektron-fononinė sklaida ribos dreifinį greitį, o Krūvininkų energijai pasiekus sunkesnės defektinės masės slėnio energiją stebimas Gano reiškinys neigiama diferencinė varža. Gano efektas Ganas nagrinėdamas galio arsenido ir indžio foslido efektinio laidumo priklausomybę nuo elektrinio lauko stiprio pastebėjo, kad pakankamai stipriuose laukuose elektros laidumas silpnėja stiprėjant el. laukui. čia pavaizduota GaAs kristalo *100+ kryptimi laidumo elektronų energijos didspersijos kreivė. Jai būdingi du energijos minimumai. Taškė q = 0. Silpnuose elektriniuose laukuose beveik visi puslaidininkio laidumo elektronai yra šioje būsenoje. Stiprėjant elektriniam laukui didėja elektroną aprašančios bangos skaičius ir energija. Pasiekus pakankamą energijos vertę dalis elektronų pereina į antrąjį minimumą atitinkančią būseną. Šioje grafiko dalyje išvestinės vertė yra gana maža. Tai atitinka didelę elektrono efektinę masę ir mažą jo judrumą. Mažėjant krūvininkų judrumui, mažėja ir elektrinės srovės stiprumas. Voltamperinė charakteristika 1 tiesė atitinka elektros srovės tankio priklausomybę nuo elektrinio lauko stiprumo, kai krūvininkų judrumas yra didelis. 2 tiesė vaizduoja j(e) mažo judrumo atveju. Kadangi tam tikrame laukų stiprumų intervale laukui stiprėjant sritis (E 1 <E<E 2 ), kurioje puslaidininkio diferencialinis laidumas γ d =dj/de yra neigiamas. Tokio puslaidininkio visa voltamperinė charakteristika parodyta ištisine laužta kreive. Aukštų dažnių generacija puslaidinikyje su N pavidalo VACh

8 Bandinyje susidaro ir sklaida didelio elektrinio lauko srityse, vadinama domenu. Domenas susidaro todėl, kad el. lauko pasiskirstymas yra nestabilus, kai yra neigiama diferencialinė varža. Tegul puslaidininkyje susidarė nehomogeniškas elektronų pasiskirstymas, reiškia susidaro papildomas ΔE. Nehomogeniškumas didėja, laukas už domeno ribų mažesnis už E 1, nauji domenai nesusidaro. Domenas sklinda greičiu, artimu elektronų dreifo greičiui, kai domenas pasiekia anodą, domenas išnyksta, pasiekęs j max. Elektrinis laukas už domeno ribų pasidaro didesnis už slenkstinį E 1 ir procesas kartojasi. Dažnis f=v/l ; l- bandinioilgis, v-domenodreifogreitis. Elektriniolaukoskirtumasnuotuneliniodiodo grandinėse su tuneliniu diodu dažnį nusako L ir C. Bangų forma Gano dioduose: Smūginė jonizacija Paprastumo dėlei nagrinėkime grynąjį puslaidininkį. Laisvasis krūvininkas elektriniame lauke įgyja energiją, kurios vidutinė vertė <ω> = ee<l>. <l> krūvininko vidutinis laisvasis kelias. Taigi stipriame elektriniame lauke laisvasis krūvininkas gali įgyti energiją didesnę už draustinės juostos plotį, toks krūvininkas sąveikaudamas su valentinės juostos elektronu gali jį išlaisvinti, t.y. sukurti laisvojo elektrono ir skylės porą ir pats pasilikti laidumo juostoje. Toks laisvųjų krūvininkų generavimas vadinamas smūgine jonizacija. Svarbiausia jos charakteristika jonizacijos sparta. Ji lygi santykiniam koncentracijos pokyčiui, kai krūvininkai įveikia vienetinį kelią, t.y. a = (1/n) * (dn/dx).

9 1 šiluminė elektrono generacija, elektronas įgyja stipriame lauke energijos tiek, kad jos pakanka naujai elektrono ir skylės porai sukurti. Elektronas ir skylė vėl judėdami stipriame lauke sudaro naują elektrono ir skylės porą, o smūginę jonizaciją sukėlęs krūvininkas lieka laudmo būsenoje (elektronas-laidumo juostoje, skylė valentinėje juostoje). Akustoelektronika 1. Elektroakustiniai reiškiniai krūvininkų įtaka akustinėms savybėms (garso bangų dispersijai, garso greičio stiprinimas ir slopinimas) 2. Akustoelektriniai reiškiniai akustoelektrinės srovės ir įtampos susidarymas, krūvininkų tapimas fononais, akustoelektriniai nestabilumai. Visi efektai susiję ir sąlygoti ryšio tarp akustinių ir elektrinių kieto kūno savybių elektronų ir fononų sąveikos. Pvz.: garso banga koherentinių fononų srautas, gardelės deformacija el. lauko sąveika su krūvininkais. Sąveika nagrinėjama makroskopiškai, nes V g = λf => f<v g /λ = V g / 10-6 = Hz. Elektronai sąveikauja tik su išilginiais fononais, tai imsime išilginę bangą (nes tik tada kinta tūris). Dėl deformacijos potencialo E i. Kartu su grasu sklis elektrinė banga tik perstumta per π/2. ΔE = E i * U. E=-grad φ=grad ΔE/e=E i /e du/dx= ike i /e *U = e iπ/2 E i ω/ev g * U. Akustiniai efektai: 1. Krenta fononai, jų energija absorbuojama intervale dx. Iš bangos elektronams suteikiamas impulsas. Visų elektronų ndx. Taigi suteiktas impulsas per lauko vienetą = veikiančiai jėgai ee => E= - γi/e V g n ; U evj = Ed 2. Matuojant VACh, kai V dn = V g plonas d~λ. fononai stiprinsis pagal lauką 3. Matmenų rezonansas (pvz. sveikas pusbangių skaičius) V d > V g. čia su paviršinėmis bangomis bus į tūrį tik per bangos ilgį λ.

10 Elektroakustiniai reiškiniai: 1. Kai laidumas mažėja nėra elektronų, kurie galėtų sąveikauti su banga, t.y. slopinti. Kai laidumas didėja įsivaizduojant stačiakampę bangą, labai trumpo periodo, dalis neutralizuojama pjezobanga, t.y. labai trumpai absorbuojama garso bangos energija. Papildomai: Elektronai aplenkia garsą ir dėl atvirkštinio pjezoefekto jų laukas deformuoja gardelę, t.y. stiprina garsą. Energiją ima iš el. lauko. 4. V dn >> V g nėra nei elektronų sąveikos, nei grupavimo. a) Įskaičius difuziją: stiprinimas sumažėtų, nes difuzija stengsis išlyginti suprupuotus elektronus. Kai yra laisvų elektronų (slopinimas) Susidaręs el. laukas tuos elektronus vilks. Tegul n tipo puslaidininkis, spręsim be difuzijos ir prilipimo, taigi turime silpnos bangos atvejį n << n 0. Tiesiniu atveju kristalu sklinda plokščia harmoninė banga, tačiau ir su gesimu. Įvedam dydį

11 Gauname kompleksinį k=k γ +iγ (γ-slopinimas). Maksimalusslopinimas bus γ max =ω/v g * k 2 /4 Pjezoreiškinys Mechaninė deformacija elektrinė poliarizacija dėl subgardelių su skirtingais jonais persislinkimo. Būtina, nors nepakankama pjezoefekto sąlyga simetrijos centro nebuvimas, skirtingo būvio jonai. Tiesioginis pjezoefektas susidariusi indukcija. D = ɛɛ 0 E-BU ; B-pjezoelektrinis modulis, U-deformacijos tenzorius. Klasikinis kietojo kūno sąveikos su elektromagnetine banga aprašymas Pagal klasikinę teroiją elektromagnetinės bangos ilgis sklaidos metu neturėtų pasikeisti. Klasikinė teorija elektromagnetinių bangų sklaidą aiškina šitaip. Medžiagos jonai ir elektronai, veikiami elektromagnetinės bangos elektrinio lauko, virpa dažniu, kuris lygus bangos dažniui. Su pagreičiu judantis krūvininkas (šiuo atveju jonas arba elektronas) spinduliuoja elektromagnetines bangas. Tuo atveju, kai krūvininko judėjimo pagreitis yra harmoninė laiko funkcija, krūvininkas spinduliuoja to paties dažnio antrines monochromatines bangas. Tai ir yra išsklaidytos bangos. Taigi, klasikinė teorija teigia, kad sklaidos metu spinduliuotės dažnis nepakinta. Laisvakrūvė sugertis Apšvieskime puslaidininkį šviesa, kurios fotono energijos nepakanka laisvųjų krūvininkų ar eksitonų susidarymui. Tokius fotonus gali sugerti vadinami laisvieji krūvininkai ir peršokti iš vieno energijos lygmens į kitą toje pačioje nergijos juostoje. Dėl judesio kiekio tvermės tokia sugertis vyksta tik tuomet, kai sugeriant fotoną, kartu sugeriamas arba išspinduliuojamas fononas. Taigi šitokią sugertį reiktų nagrinėti tokiais metodais, kaip ir netiesioginę savąją sugertį. Laisvakrūvės sugerties koeficientas α didėja didėjant bangos ilgiui. Be to priklausomybė α(λ) priklauso ir nuo sklaidos mechanizmo. Tiesioginė ir netiesioginė savosios šviesos sugertis Tokia šviesos sugertis kai fotoną sugėręs elektronas iš puslaidininkio valentinės juostos peršoka į laidumo juostą vadinama savąja sugertimi, o tokie elektronų šuoliai tarpjuostiniais šuoliais. Tiriant šviesos savąją sugertį reikia atsižvelgti į puslaidininkio energijos juostų pobūdį. Puslaidininkiai kurių laidumo juostos ir valentinės juostos elektronų energijos priklausomybių kreivių viršūnės atitinka tą patį elektrono bangos vektorių k ( 1 grupė puslaidininkių). Dauguma puslaidininkų yra 2 grupės, kuomet

12 laidumo ir valentinės juostų energijų kreivių viršūnes atitinka skirtingi bangos vektoriai. Tiesioginiai šuoliai sakykime energijos ir judesio kiekio elektronas sugeria energijos ir judesio kiekio fotoną. Įvykus tokiam optiniam šuoliui nepakinta elektrono judesio kiekio nei modulis nei kryptis. Vadinasi šuolio metu nekinta ir elektrono bangos vektrorius. Tokie šuoliai vadinami tiesioginiais. Šviesos sugertis kuri sukelia valentinės juostos elektrono tiesioginį šuolį į laidumo juostą vadinama tiesiogine savąja šviesos sugertimi. Netiesioginiai šuoliai valentinės juostos elektronui peršokant į laidumo juostą gali pakisti jo impulsas. Tokiame šuolyje be fotono dar sugeriamas arba išspinduliuojamas fononas. Šitoks elektrono optinis šuolis kuriame dalyvauja trys mikrodalelės: elektronas, fotonas ir fononas, vadinamas netiesioginiu savuoju šuoliu. Fonono energija daug mažesnė už fotono, tačiau fonono judesio kiekis yra tokios pačios eilės dydis kaip elektrono judesio kiekis. Taigi netiesioginiam optiniam šuoliui beveik visą reikalingą energiją elektronas gauna iš fotono, o jo bangos vektorius pakinta fonono sąskaita. Gardelinė sugertis Kristale, kurio elementarusis nervelis yra neprimityvus, be gardelės akustinių virpesių susidaro vadinamieji optiniai virpesiai, kai į kristalą krintančio elektromagnetinio spinduliavimo dažnis sutampa su optinių šuolių atomų savuoju virpėjimo dažniu gaunama spinduliavimo energijos rezonansinė sugertis. Ji yra tolimoje infraraudonoje srityje ir perdengia laisvakrvę sugertį. Šviesos sugertis, dėl kurios pakinta gardelės atomų virpėjimo energija, vadinama gardeline. Kvantmechaniniu požiūriu ji gaunama fotonui sąveikaujant su fononais. Gardelės sugerties spektro dažnis ir intensyvumas nepriklauso nuo gardelės defektų tankio tol kol jų yra ne daugiau kaip cm -3. Priemaišinė sugertis Dėl kristalo struktūrinių defektų pakinta jo energinis spektras draustinėje juostoje turime lokaliniai leistinos energijos lygmenis. Vieni iš jų gali būti užimti, kiti laisvi nuo elektronų. Apšvietus tokį puslaidininkį fotonais, kurių energija ne mažesnė už priemaišų aktyvacijos energiją, jie gali būti sugerti. Donoriniame arba akceptoriniame lygmenyje esantis elektronas, sugėręs pakankamos energijos fotoną peršoka į laidumo juostą, t.y. pasidaro laisvuoju. Valentinės juostos elektronas sugėręs atitinkamos energijos fotoną, gali peršokti į laisvąjį akceptorinį ar net oksiduoto donoro lygmenį taip valentinėje

13 juostoje susidaro skylė. Taigi lokaliniai lygmenys draustinėje juostoje sąlygoja papildomą švieos sugertį. Optinė sugertis, kai šviesa jonizuoja ar sužadina priemaišinius centrus kristale, vadinama priemaišine. Eksitoninė šviesos sugertis Puslaidininkyje yra tokia elektrono sužadinimo būsena, kai jis sugėręs fotoną, nuo kirstalo struktūrinės dalies neatitrūksta susidaro tarpusavyje susieta elektriškai neutrali elektrono ir skylės sistema, kuri vadinama eksitonu. Tokia šviesos absorbcija vadinama eksitonine. Eksitonus sukuria fotonai, kurių energija yra mažesnė už draustinės juostos plotį. Viena kristalo dalelė eksitoninę būseną gali perduoti kitai dalelei t.y. eksitonas gali klaidžioti kristale. Taip kristale gali judėti Kulono jėgos susietas elektronas su skyle, kadangi eksitonas yra elektriškai neutrali krūvininkų sistema tai eksitoninė šviesos absorbcija laisvųjų krūvininkų koncentracijos ir elektrinio laidumo tiesiogiai nepakeičia. Tačiau ji gali netiesiogiai padidinti puslaidininkių elektrinį laidumą, nes elektrono sąryšis su skyle eksitone dėl gardelės šiluminių virpesių ar dėl kito fotono absorbcijos gali nutrūkti. Tuomet susdaro du laisvieji krūvininkai, elektronas ir skylė. Be to eksitonui susidūrus su nejonizuota donorine priemaiša jis gali perduoti jai savo sužadinimo energiją ir ją jonizuoti tuomet susidaro laisvasis elektronas. Liuminescencija Liuminescencija vadinamas kūnų nepusiausvirasis elektromagnetinis spinduliavimas (švytėjimas), kurį sukelia nešiluminis energijos šaltinis. Jis gali būti gaunamas ir gana žemose temperatūrose, todėl liuminescencija dar vadinama šaltuoju švytėjimu. Liuminescencija klasifikuojama pagal jos žadinimo būdą, energijos virsmų mechanizmą ir švytėjimo trukmę. Pagal sužadinimo būdą: fotoliuminescencija (sužadinama apšvietus) radioliuminescencija (sužadinama jonizuojančiu spinduliavimu) Pagal švytėjimo trukmę: fluorescencija (švytėjimas pranyksta po 10-8 s ar dar greičiau, po to kai nutraukiamas žadinantis poveikis) fosforescencija (tai švytėjimas, kuris išlieka tam tikrą laiką nutraukus jį žadinantį poveikį) Pagal liuminescencijos energijos virsmų mechanizmą: rezonansinė (kai kuriuose medžiagose liuminescencinis spinduliavimas gali prasidėti elektronui tiesiogiai peršokant iš sužadinimo lygmens į pagrindinę būseną. Pagal šitokį mechanizmą vykstanti liuminescencija vadinama rezonansine) savaiminė priverstinė (metastabilioji liuminescencija vyksta, kai elektronas iš sužadinimo lygmens peršoka į metstabilųjį lygmenį. Po to papildomai sugėręs, pvz. infraraudonojo spinduliavimo fotoną ar fononą priverstinai peršoka į spinduliavimo lygmenį)

14 rekombinacinė (švytėjimas, gaunamas susijungiant toms dalelėms, kurios prieš tai sugėrusios energiją atsiskyrė viena nuo kitos, vadinamas rekombinaciniu) Diamagnetizmas Diamagnetizmas stebimas medžiagose, kurių atomai neturi magnetinio momento esant nuliniam išoriniam magnetiniam laukui. Esant nuolatiniam išoriniam magnetiniam laukui vidinis elektronų judėjimas atome nepasikeičia, tačiau atomas pradeda judėti su kampiniu dažniu Larmoro teorema. Tačiau Larmoro judėjimą sukuria kintantis magnetinis laukas (kai įjungiam išorinį magnetinį lauką), o ne pastovus magnetinis laukas, kuris tik palaiko jį. Diamagnetikams µ<1. Jie įsimagnetina prieš magnetinio lauko kryptį. Atomo magnetinis momentas atsiranda dėl procesijos (įmagnetėjimas). Sukimasis apie B ašį vyksta su Larmoro dažniu ω L =eb/2m Paramagnetizmas Paramagnetizmas stebimas medžiagose, kurių atomai išlaiko magnetinį momentą esant nuliniam išoriniam magnetiniam laukui. Paramagnetikams µ>1, kur µ=b/h magnetinė skvarba. Paramagnetizmo teorija buvo sukurta Lanžaveno. Pagal ją atomo kinetinė energija išoriniame magnetiniame lauke: ε = p m B,kurp m magnetinisatomomomentas. Atomoenergijamaksimali, kaijop m orientuotas prieš magnetinio lauko kryptį. Išoriniame magnetiniame lauke atomas procesuoja aplink magnetinio lauko kryptį. Kampas tarp p m ir Byra const. Įmagnetėjimas atsiranda dėl tarpusavio atomų sąveikos. Taigi išorinis magnetinis laukas tik palaiko paramagnetiko įmagnetėjimą.paramagnetikaiįsimagnetinalaukokryptimi. Landau kvantavimas Landau kvantavimas krūvininkų ciklotroninių orbitų kvantavimas magnetiniame lauke. Rezultate įelektrintos dalelės gali būti tik orbitose su diskrečiomis energijų vertėmis, kurios vadinasi Landau lygmenimis. Lygmenys yra išsigimę, su elektronų kiekiu proporcingu magnetinio lauko stipriui. Iš klasikinės mechanikos: masės m dalelė su krūviu q juda plokštumoje, statmenoje magnetinio lauko stipriui B. Ji juda apskritimu su kampiniu dažniu ω C =qh/mc. Kvantinėje mechanikoje tokiam judėjimui atitinka judėjimas su kvantuota energija: ɛ n = (n+1/2)ħω C. Tai vadinasi orbitaliniu kvantavimu. Taigi, banginės funkcijos su tuo n skaičiumi vadinasi Landau lygmenimis. Landau lygmenų efektas stebimas tik kai kt <<ħω C, t.y. žemose temperatūrose ir esant stipriems magnetiniams laukams. Antiferomagnetizmas Antiferomagnetizmas kietieji kūnai, kurių elektronų spinai orientuojasi ne lygiagrečiai (kaip feromagnetizme). Taigi antiferomagnetikų magnetinis momentas = 0. Kai T T kr antiferomagnetikas virsta paramagnetiku. Magnetinė skvarba maksimali esant T = T kr (Nelio taškas).

15 Ferimagnetizmas Ferimagnetizmas antiferomagnetikas su skirtingo dydžio atomų magnetiniais momentais. Magnetinių momentų suma nelygi 0. Ferimagnetikų savybės analogiškos feromagnetikams. Feritai pasižymi mažu laidumu, todėl gali būti panaudoti ten, kur Fuko srovės turi būti mažos. Feromagnetizmas Feromagnetizmas stiprūs magnetikai. Tai tik kietūjų kūnų savybė. Feromagnetikai kietiji kūnai, kurie pasižymi spontaniško įmagnetėjimo savybe. Feromagnetikams: µ = f(h), B(H) funckija pasižymi histerizine priklausomybe. Einšteinas ir De Gaazas eksperimentiškai nustatė, kad už feromagnetizmą atsakingi elektronų spinai. Kai T T kr, vyksta spontaniškas įsimagnetėjimas. Įsimagnetėjimas ir persimagnetėjimas vyksta su šilumos išsiskyrimu. Esant T>T kr medžiaga virsta paramegnetiku; Molekulės formuoja domenus vienos orientacijos sritys. Domenai orientuojasi skirtingai. Superlaidumas Superlaidumas- reiškinys kai laidininko elektrinė varža sumažėja iki nulio, kai ladininko temperatūra tampa žemesnė už jam būdingą kritinę (super laidaus virsmo) temperatūrą. Atomo virpėjimo amplitudė priklauso nuo temoeratūros. Nusistovėjus pusiausvyrai, jėga veikianti elektronus elektriniame lauke turėtų būti lygi trinties jėgai: Savitąjį elektrinį laidumą lemia krūvininkų tankis ir jų judrumas. Bardeno, Kuperio ir Šiferio teorija Ši teorija superlaidumą aiškina taip. Kristalu judantis elektronas šiek tiek deformuoja gardelę pritraukdamas teigiamus jonus (gardelė tampa poliarizuota). Esant žemai temperatūrai, dėl tokios elektronų sąveikos su gardele arba su fononais elektronams atsiranda palankios sąlygos jungtis į taip vadinamas Kuperio poras. Kuperio poras sudaro elektronai, kurių sūkiai yra priešingi. Todėl Kuperio poros sūkinys lygus nuliui ir Kuperio poros pasižymi bozono savybėmis.

16 Vieną ir tą patį energijos lygmenį gali užimti bet koks Kuperio porų skaičius. Elektronams jungiantis į Kuperio poras jų bendra energija sumažėja. Tarp užpildytųjų ir neužimtų energijos lygmenų atsiranda draudžiamasis energijos plyšys. Jo plotis priklauso nuo superlaidaus virsmo temperatūros. Žemų temperatūrų srityse gardelės šiluminių virpesių energijos nepakanka Kuperio poromos suardyti todėl jų sklaida nepasireiškia. Kadangi gardelėje nekyla pasipriešinimo Kuperio porų judėjimui, tai superlaidininko laidumas yra labai didelis (elektronai per tarpininkę gardelę, lyg kokią estafetės lazdelę perdavinėja vienas kitam kryptingą greitį ir energiją). Fermio energija E f galiojanti sąryšiui: 2Δ(T=0K)=3.51kT c ev priklauso tik nuo temperatūros ir magnetinio lauko stiprio tačiau nepriklauso nuo elektronų banginio vektoriaus krypties. Tai reiškia jog superlaidžių elektronų banginei funkcijai būdinga s-orbitalių simetrija. Superlaidumas išnyksta kai temperatūra aukštesnė už T c arba kai žemesnė tačiau superlaidininkas yra magnetiniame lauke stipresniame už krizinį, arba kai juo teka srovė stipresnė už krizinę. Džozefsono reiškiniai Superlaidininko varža yra labai maža, todėl tekant superlaidininku srovei jame beveik nepastebimas įtampos kitimas. Perpjaukime superlaidininko bandinį į dvi dalis ir įterpkime tarp jų kelių nano metrų storio dielektriko sluoksnį. Gautas darinys vadinamas Džozefsono sandūra. Jei per Džozefsono sandūrą teka pastovi srovė nestipresnė už tam tikrą krizinę, tai įtampa sandūroje nekinta. Toks reiškinys vadinamas stacionariuoju Džozefsono reiškiniu. Jis paaiškinamas tuo jog per Džozefsono sandūrą teka tunelinė srovė. Sakykime, kad Džozefsono sandūroje krinta mažiausia įtampa. Mažiausias įtampos krytis atitinka draudžiamosios energijos plyšio plotį. Kai pirmosios superlaidininko dalies energijos lygmenys yra aukščiau už antrosios dalies energijos lygmenis, elektronai iš užpildytųjų lygmenų gali pereiti į tuščiuosius lygmenis, esančius virš draudžiamojo energijos plyšio. Tuomet elektronai jungiasi į Kuperio poras ir grįžta į lygmenis, esančius žemiau draudžiamojo plyšio. Atsipalaiduojanti energija išspinduliuojama elektromagnetiniais virpesiais. Pakitus įtampai 1mV, virpesių dažnis pakinta 483,6 MHz. Taikant Džozefsono reiškinius, sukurti kvantinės elektronikos elementai (kriosarai, skvidai), loginės schemos ir integriniai grandynai. Visi Džozefsono reiškiniais pagrįsti kvantinės elektronikos įtaisai pasižymi labai didele veikimo sparta ir vartoja nedaug energijos. Dar svarbu tai, kad nestacionarusis Džozefsono reiškinys taikomas šiuolaikiuose įtampos etalonuose.