Лекция (843336), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Это означает, что при движении электронов вкристаллической решётке не изменяется энергия электронов и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления.Для того чтобы разрушить состояние сверхпроводимости, необходима затрата определенной энергии. При температуре Т = ТС происходит нарушение связанных состояний электронных пар, прекращается притяжение между электронами и состояние сверхпроводимостиисчезает.Следствием существования куперовских пар является квантование магнитного потока:минимальная величина магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченнуюзамкнутым сверхпроводящим контуром, может принимать только дискретные значения (квантуется).
Квант магнитного потока — минимальное значение магнитного потока Ф через кольцосверхпроводника с током, обусловленным движением куперовских пар электроновhΦ0 =≈ 2 , 0678 ⋅10−15 Вб.2eЭффект ДжозефсонаЭффект Джозефсона - явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток называют джозефсоновским током, атакое соединение сверхпроводников - джозефсоновским контактом.Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона.Стационарный эффект - при пропускании через контакт тока, величина которого не превышаеткритическую, падение напряжения на контакте отсутствует (несмотря на наличие слоя диэлектрика).
Эффект этот вызван тем, что электроны проводимости проходят через диэлектрик безсопротивления за счёт туннельного эффекта.Нестационарный эффект - при пропускании через контакт тока, величина которого превышает критическую, на контакте возникает падение напряжения U, и контакт при этом начи-10Семестр 4. Лекции 17-18.нает излучать электромагнитные волны.
При этом частота такого излучения определяется как2eUω=, где е - заряд электрона.Возникновение излучения связано с тем, что объединённые в куперовские пары электроны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают избыточную поотношению к основному состоянию сверхпроводника энергию 2eU . Единственная возможность для пары электронов вернуться в основное состояние — это излучить квант электромагнитной энергии ω = 2eU .Используя нестационарный эффект Джозефсона, можно измерять напряжение с оченьвысокой точностью.Эффект Джозефсона используется в сверхпроводящих интерферометрах, содержащихдва параллельных контакта Джозефсона. При этом сверхпроводящие токи, проходящие черезконтакт, могут интерферировать. Оказывается, что критический ток для такого соединениячрезвычайно сильно зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет использовать устройство для очень точного измерения магнитных полей (МЭМС Гироскопы).Если в переходе Джозефсона поддерживать постоянное напряжение, то в нём возникнутвысокочастотные колебания.
Этот эффект называется джозефсоновской генерацией. Возможен,конечно, и обратный процесс - джозефсоновское поглощение. Таким образом, джозефсоновский контакт можно использовать как генератор электромагнитных волн или как приёмник (этигенераторы и приёмники могут работать в диапазонах частот, не достижимых другими методами).Высокотемпературные сверхпроводникиВ 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных.
В 1987 году было показано, что соединения лантана,стронция, меди и кислорода (La-Sr-Cu-O) испытывают скачок проводимости практически донуля при температуре 36 К.В 1987 году был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y-Ba-Cu-O). Сейчас «рекорд» принадлежит керамическому соединению Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), критическая температура для которого равна 138 К.Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К.Высокотемпературные сверхпроводники - семейство материалов (сверхпроводящих керамик) с общей структурной особенностью, относительно хорошо разделёнными меднокислородными плоскостями.
Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах вэтом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. Нормальное(и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Последовательной теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко многим экспериментальным и теоретическим результатам, и интерес вэтой области - не только в достижении сверхпроводимости при комнатной температуре.
За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 была присуждена Нобелевская премия.11Семестр 4. Лекции 19-20.Лекции 19 - 20. Собственная и примесная проводимость полупроводников.Уровень Ферми в чистых и примесных полупроводниках. Температурная зависимость проводимости полупроводников. Фотопроводимость полупроводников. Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда. Эффект Холла в полупроводниках.Общая характеристика проводимости полупроводников.Полупроводниковые материалы имеют твердую кристаллическую структуру и по своемуудельному сопротивлению (ρ = 10-6…108 Ом⋅м) занимают промежуточную область между проводниками электрического тока (ρ = 10-8…10-6 Ом⋅м) и диэлектриками (ρ = 108…1014 Ом ⋅м).При изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем наиболеешироко используются германий, кремний и арсенид галлия.
К полупроводникам относятсятакже селен, теллур, некоторые окислы, карбиды и сульфиды.Абсолютное большинство полупроводниковых устройств электроники используются вдиапазоне температур от - 60˚С до 100˚С. Этот диапазон принято называть рабочими температурами. В качестве характерной температуры принимают середину этого диапазона, так называемую «комнатную температуру» Т=290÷300 К.Характерным свойством полупроводников является сильное изменение удельного сопротивления под влиянием электрического поля, облучения светом или ионизированными частицами, а также при внесении в полупроводник примеси или его нагреве.
Если при нагреве удельное сопротивление проводников увеличивается, то полупроводников и диэлектриков – уменьшается. Это свидетельствует о различном характере проводимости названных материалов.С точки зрения зонной теории проводники, полупроводники и диэлектрики различаютсяпо расположению валентной зоны, зоны проводимости и запрещённой зоны между ними.В частности, отличие полупроводников от диэлектриков – в ширине запрещённой зонымежду валентной зоной и зоной проводимости.
Для диэлектриков ширина запрещённой зоны повеличине порядка нескольких эВ, для полупроводников ∆E ∼ kT (соизмеримо с тепловой энергией при комнатной температуре) и не больше 2 эВ.Пример. У типичного полупроводника – кремния ширина запрещенной зоны при комнатнойтемпературе составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ, для германия ширина запрещенной зоны при комнатной температуре составляет 0,67 эВ.У полупроводников часть электронов из валентной зоны способна при комнатной температуре преодолеть запрещенную энергетическую зону, т.е. перейти в зону проводимости.«Дырки».При рассмотрении электропроводности полупроводников важным является понятие«дырки».Вблизи абсолютного нуля температуры все уровни энергии в валентной зоне заполненыэлектронами.
При повышении температуры часть электронов может перейти на нижний уровень зоны проводимости, что приведёт к появлению свободных уровней энергии в валентнойзоне.Переход электрона в зону проводимости означает, что электрон «оторвался» от конкретного атома и начал движение в пределах всего кристалла. В пространственной области вблизиатома, откуда «вылетел» электрон, до отрыва электрона суммарный импульс всех электроновбыл равен нулю, а также был равен нулю суммарный электрической заряд.
Улетевший электронунес импульс p и заряд −e , поэтому оставшиеся электроны в этой пространственной областибудут иметь суммарный импульс pОБЛ = − p , а суммарный заряд будет положительным +e . Т.е.вблизи атома как бы появится положительно заряженная «частица», обладающая определённымимпульсом. Эту «частицу» и принято называть дыркой или вакансией.Дырки в кристалле имеют определенную эффективную массу, энергию, импульс, наборквантовых чисел, т.д.
Например, эффективная масса дырки должна быть равна эффективноймассе недостающего электрона, но с обратным знаком. Однако, для электронов вблизи верхнегокрая валентной зоны (зоны Бриллюэна) эффективная масса электрона отрицательная, поэтому1Семестр 4. Лекции 19-20.масса дырки положительная. Энергию дырок следует отсчитывать от потолка валентной зонывниз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
