А.Н. Матвеев - Атомная физика (1120551), страница 100
Текст из файла (страница 100)
Полное перекрытие невозможно, по~ому что при сужении канала увеличивается плотность тока, а вместе с ней и электрическое поле в канале. При этих условиях сила тока 1„ на с~оке становится практически независимой от потенциала на стоке 1/„, но, конечно, продолжае~ зависеть от потенциала на затворе Г н причем в определенных пределах эта зависимость поч~и линейна. Именно в этом режиме максимального перекрытия канала и используется полевой транзистор. Название «полевой» этот тип транзисторов получил по механизму своей работы: ширина токового канала определяется напряженностью электрического поля в р-п-переходе между затвором и каналом. Контроль тока в полевом транзисторе можно осуществлять не только с помощью затвора из полупроводника другого типа, как это было описано, но и с помощью подобранного соответствующим образом металлического затвора, изолированного от канала.
В качестве изолирующего слоя используются оксиды. Такие транзисторы называются металлооксидными полевыми транзисторами. Принцип их работы аналогичен описанному выше. Интегральные схемы. С помощью легирования на одном монокристалле можно создать целую электронную схему. Такие схемы называются интегральттььии. Проводники, соединяю- щие о~дельные части схемы, вносятся с помощью соответствующего процесса в кристалл. Переходы обладают емкостью и в таком качестве могу~ быть также включены в интегральную схему. Индуктивности малой величины также могут быть включены в интегральную схему в виде спиральных проводников. Однако в большинстве случаев интегральные схемы включают в себя сопротивления, диоды и транзисторы, а индуктивности подсоединяются к ним в виде отдельных дискретных элементов. Главными преимуществами интегральных схем являются их малые размеры, связанная с этим быстрота прохождения процессов, малая потребляемая мощность, надежность в эксгпуатации.
Изготовление интегральных схем требует высокого технологического уровня производства. Однако, коль скоро такой технологический уровень достигну~, изготовление интегральных схем может быгь сделано дешевым в расчете на элемент схемы, благодаря чему достигаешься значительное удешевление приборов, выполняющих определенные функции.
Возможность в малых объемах размещать очень большое число элементов позволяет создавать устройства, которые без интегральных схем практически немыслимы. Технология производства состоит в применении операций травления, напыления и диффузии в соответствующих местах монокристалла в определенной последовательности. Весьма трудной технологической задачей является создание шаблонов, с помощью которых осуществляются эти операции. Для проектирования интегральных схем широко используются ЭВМ. й 70. Сверхпроводимость 70. Сверхпроводимость Описываются махрссхопизссхис явления, сбуслевленные сверхпроволимсстые, и излагаются ссновные результаты теории сверхпреволимссти.
Сверхпроводимость. К. Оннес обнаружил !1911), что при 4,2 К ртуть, по-видимому, полностью теряет сопротивление электрическому току. В дальнейшем подберя сопротивления наблюдалась и у других чистых веществ и у многих сплавов. Экспериментально доказано, что речь идет о полной потере сопро~ивления, а не просто об его значительном уменьшении. Например, возбуждали ток в замкнутом кольцевом сверхпроводнике, который в отсутствие источника сторонних электродвижущих сил продолжал циркулировать в нем в течение нескольких лет. Из этого опыта можно было заключить, что проводимость сверх- проводника по меньшей мере лучше !02' См,'м, что достаточно надежно подтверждает полное отсутствие сопротивления сверхпроводника электрическому току.
Это явление получило название сверхпроводимости. Падение сопротивления до нуля осуществляется в очень узком интервале температур схТ- 10 з К для чистых монокристаллических образцов, а при наличии дефектов — АТ- 1О ' К и даже больше. Температуры перехода Т„, в сверх- проводящее состояние, называемые кри>пическими, различны, но всегда низки. Сверхпроводящими свойствами обладают как элементы, так и соединения.
Из элементов наивысшую критическую температуру, около 9 К, имеет ниобий, за которым следует свинец с Тср = 7,22 К. Наименьшая критическая температура, Т„= 0,0! К, наблюдалась у вольфрама. Какой-либо связи между свойством сверхпроводимости и структурой кристалличес- зя ис кой решетки элемента не отмечалось. Среди сверхпроводников имеются элементы, представляющие самые различные типы кристаллических структур. Ни один из щелочных или благородных металлов не является сверх- проводником. Наиболее высокие критические температуры„свыше 20 К, наблюдаются у сверхпроводящих соединений.
Рекордное значение Т„ = 23,3 К принадлежало до 198б г. соединению ХЬ Ое. Известны органические сверхпроводники, критическая температура которых около 8 К. Критическое поле. Если поместить сверхпроводник в магнитном поле, то при достижении индукцией поля некоторого критического значения В„ сверхпроводящие свойства исчезают и сверхпроводник становится обычным проводником.
Значение критического поля В„р уменьшается с увеличением температуры и становяся равным нулю при критической температуре. С достаточно большой точностью зависимость критического поля от температуры можно представить в форме параболического закона: В„, = Ввг! -1Т!Т.,)2). где Вп-ицдукция критического поля при 0 К. Значение В для чистых металлов достаточно мало и коррелирует с Т„,: с увеличением Т„ значение Вп увеличиваемся. При 7„р порядка 1 К значение Вп имеет порядок сотых долей тесла, а для больших значений Тсв значение В„может достигать десятых долей тесла. Критическая плотность тока.
Когда магнит>>ее поле электрического тока, протекающего по сверхпроводнику, достигает критического значения В„„, сверхпроводимость исчезает. Соответствующая плотность тока называется критической плотностью тока. 370 13. Электронные свойства твердых тел Эффект Мейсснера. Мейсснер и Оксенфельд обнаружили (1933), что внутри сверхпроводящего тела полностью отсутствует магнитное поле.
При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объема. Этим сверхпроводник о~личается от идеального проводника, у которого при уменьшении удельного сопротивления индукция магнитного поля в объеме сохраняется без изменения. Отсутствие магнитного поля в объеме сверхпроводника позволяет на основе общих законов магнитного поля сдела~ь заключение, что в нем протекает ~олько поверхностный ток.
Этот ток физически реален и поэтому протекает в некотором тонком слое вблизи поверхности. Толнтина слоя имеет порядок 1О ' м. Магнитное поле этого тока компенсирует внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле, благодаря чему полное поле внутри проводника становится равным нулю. Однако сверхпроводник не являешься идеальным диамагнетиком, потому что намагниченность внутри него равна нулю, а у диамагнетика отлична от нуля. Сверхпроводники первого и второго рода. Чистые металлы, у которых наблюдается явление сверхпроводимости, немногочисленны.
Большинство сверхпроводников являются соединениями. У чистых металлов имеет место эффект Мейсснера, а у соединений не происходит полного вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника, т. е. наблюдается частичный эффект Мейсснера. Вещества, проявляющие полный эффект Мейсснера, называются сверхпровидникими первого рода, а проявляющие частичный эффект — сверхпроводиикими второго роди. У сверхпроводников второго рода в объеме имеются круговые токи, создающие магнитное поле, которое, однако, заполняет не весь объем, а распределено в нем в виде отдельных нитей.
Что касается сопротивления, то оно равно нулю, как и у сверх- проводников первого рода. Остаточное сопротивление металлов. При не очень низких температурах электрическое сопротивление металлов обусловливается главным образом рассеянием электронов на атомах кристаллической решетки металла. В результате актов рассеяния электронов происходит в среднем передача энергии от электронов к атомам кристаллической решетки. Передача энергии обусловливает возникновение электрического сопротивления.
Атомы колеблются в узлах кристаллической решетки, и полученная ими энергия преобразуется в энергию колебаний. Колебания решетки описываются как возбуждения твердого тела, называемые фононами, а вся совокупность колебаний успешно описывается поня~нем фонониого газа. Электрическое сопротивление в этой картине является результатом электрон-фононного взаимодействия.
При понижении температуры электрическое сопротивление металла уменьшается вследствие ослабления колебаний атомов решетки и уменьшения электрон-фононного взаимодействия. Скорость изменения сопротивления уменьшается при понижении температуры. При достаточно малой температуре она становится практически равной нулю, а сопротивление практически постоянно и не зависит от ! 70 Сверхпроводимость Зтч температуры.
Это сопротивление называется остаточным. Остаточное сопротивление нормальных металлов возникает из-за рассеяния электронов проводимости статическими дефектами. Среди этих статических дефектов можно назвать примеси, дислокации, пластическую деформацию и др. Влияние статических дефектов иа остаточное сопротивление хорошо изучено„ причем значение остаточного сопротивления очень чувствительно к дефектам. Например, в повседневной практике нередко чистоту и совершенство металлического кристалла характеризуют отношением его сопрогивлений при 273 и 4,2 К.
Это отношение для достаточно чистых и совершенных кристаллов может достигать значения 1Оэ и больше. Спаривание электронов. Для возникновения сверхпроводимости необходимо, чтобы электроны, осуществляющие электрический ток, двигались без потери энергии. В 30-х годах была предложена феноменологическая двухжидкостная модель сверхпроводимости (1934), которая удовлетворительно объясняла многие известные в то время экспериментальные факты.
Предполагалось, что вся совокупность электронов распадается на две взаимо проникающие жидкости, состоящие из нормальных и сверхпроводящих электронов. Какое-либо удовлетворительное объяснение возникновения сверхпроводящих электронов не давалось. Для удовлетворительного описания некоторых количественных закономерностей необходимо было допустить, что числовая пропорция между сверхпроводящими и нормальными электронами изменяется с температурой как 1 — (Т~Тр)4. В дальнейшем идея двухжидкостной модели была успешно применена для объяснения сверхтекучести жид- кого гелия НеП.
Атомы Не1! имеют целый спин и, следовательно, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Благодаря этому они могут в любом количестве находиться в одном и том же квантовом состоянии, в том числе и в состоянии с минимальной энергией. Их сосредоточение на низпзем энергетическом уровне энергии называется Бозе-конденсацией. Следующий более высокий энергетический уровень расположен на некотором расстоянии от низшего.
Расстояние между ними называется энергетической щелью. Если энергетическая щель такова, что атомы в Бозе-конденсате при движении не могут получи гь порцию энергии больше ширины энергетической щели, то они движутся без изменения энергии, т.е, без ~рения. Благодаря этому они составляют сверх- текучую компоненту в двухжидкостной модели сверхтекучести. По своей физической природе сверхпроводимость является сверхтекучей жидкостью, состоящей из электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
