БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ЭК)

В полупроводниках 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 электронов проводимости m эи дырок m дотличаются от массы свободного электрона mo и что кулоновское взаимодействие электрона и дырки в кристалле ослаблено диэлектрической проницаемостью среды e:

E*= эв; (1)

а * = см .

Здесь , ¾ 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 Vи A IIB VI m* ~ 0,1 т о, e ~ 10, что приводит к значениям E * ~ 10 ¾2 эв , и а * ~ 10 ¾6 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 * ~ 0,1—1 эв , а* ~ 10 ¾7 — 10 ¾8 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 , 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 ¾5 сек. Э. может распадаться при столкновении с дефектами решётки.

При взаимодействии Э. с фотонами, имеющими частоты w = , 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 или сверхпроводника , 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.

Экситро'н,экзитрон (от лат. excito — возбуждаю и ...трон ), управляемый ртутный вентиль (обычно многоанодный) с однократным зажиганием катодного пятна, свечение которого поддерживается т. н. дежурным анодом. Применяется в мощных выпрямителях тока и других устройствах.

Экскава'тор(англ. excavator, от лат. excavo — долблю, выдалбливаю), основной тип машин, предназначенных для разработки (копания) мягких горных пород (грунта) в массиве или скальных в раздробленном состоянии, а также для погрузки их в транспортные средства (автомобили, ж.-д. вагоны и др.) или укладки в отвал. Э. в СССР выполняют около 35% объёмов земляных работ в строительстве и свыше 80% объёмов на открытых горных работах; общий годовой объём экскаваторных работ в СССР достигает 15 млрд. м 3(1976).

По принципу действия различают 2 основные группы: одноковшовые (прерывного, или цикличного, действия) и многоковшовые Э. (непрерывного действия). У первых все основные операции цикла производятся в постоянной последовательности, у вторых — одновременно.

Одноковшовые Э.Рабочий цикл этого распространённого класса Э. складывается из операций резания (копания) грунта (с одновременным заполнением ковша), перемещения заполненного ковша к месту разгрузки, выгрузки грунта из ковша и возвращения ковша в забой; продолжительность рабочего цикла в зависимости от мощности и типа Э. и условий работы колеблется от 12 до 80 сек. Производительность одноковшового Э. на 1 м 3ёмкости ковша в зависимости от условий работы составляет от 100 до 350 тыс. м 3 в год, или 80—180 м 3 /ч. Одноковшовые Э. используются для разработки любых, в том числе самых крепких и неоднородных, грунтов с крупными твёрдыми включениями. Для работы в более мягких грунтах одноковшовые Э. могут снабжаться ковшами увеличенной ёмкости. Скальные породы и мёрзлые грунты перед разработкой одноковшовым Э. разрыхляют (обычно взрывом).