[3] Проводниковые Материалы (987500), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

(3.8)

где ω- частота электромагнитного поля; λ, μ_а - электропроводность проводника для постоянного тока « его абсо­лютная магнитная проницаемость.

В идеальном проводнике, у которого γ→ ∞ глубина про­никновения ∆→0, т. е. наблюдается полное отражение элек­тромагнитных волн. Способность технического проводниково­го материала, работающего в области высоких частот, прово­дить электрический ток в радиотехнике характеризуют со­противлением квадрата поверхности проводника R_s, Ом.

Для плоского проводника бесконечной толщины величина R_s определяется из выражения, аналогичного (3.6). Разница состоит в том, что вместо толщины пленки учитывают глуби­ну проникновения тока R_s:

R_s = 1/( γ*∆) (3.9)

где γ — удельная проводимость металла. Выражение показы­вает, что активное сопротивление плоского проводника бесконечной толщины при скин-эффекте R_s , равно сопротивле­нию плоского проводника толщиной ∆ для постоянного тока или, что то же самое, активное сопротивление проводника с экспоненциально убывающим распределением плотности тока равно сопротивлению проводника толщиной ∆ с равно­мерным распределением тока.

д) Явления сверхпроводимости

Сверхпроводимостью называют явление падения значения удельного электрического сопротивления (практически до ну­ля; ρ-10^-16 Ом*м) некоторых материалов при определенной температуре, называемой температурой перехода или крити­ческой температурой Т_кр.

Вещества, обладающие такими свойствами, называют сверхпроводниками. В настоящее время известно свыше ты­сячи сверхпроводников, среди них более 20 чистых металлов (например, алюминий, свинец, ртуть), многие сплавы и ряд соединений, содержащих неметаллы (например, сульфид ме­ди, карбид молибдена и др.). Сверхпроводники, представ­ляющие собой чистые металлы, называют мягкими сверхпро­водниками в отличие от сплавов и химических соединений, которые называют твердыми сверхпроводниками.

Н
а рис. 3.2 приведены температурные зависимости удель­ного электрического сопротивления некоторых сверхпровод­никовых металлов и указаны значения, характерные для их критической температуры пере­хода.

Рис.3.2

В действительности же переход материалов из обычно­го состояния в сверхпроводящее происходит в некоторой области температур, ширина которой зависит от наличия в материале примесей, дефектов, внутренних напряжений. Для мягких сверхпроводников эта область невелика и составляет величину примерно 10^-3 гра­дусов.

Температуры перехода сверхпроводников в сверхпроводящее состояние низки. Так, например, для некоторых чистых металлов значения их лежат в пределах от 0,35 К (гафний) до 9,2 К (ниобий); для сплавов —от 0,155К. (ВiРt) до 18К (Nb₃Sn).

Достижение столь низких (криогенных) температур осу­ществляется в специальных охлаждающих установках с по­мощью хладоагентов и представляет собой сложную и до­рогостоящую задачу. В качестве хладоагентов используют различные сжиженные газы.

Явление сверхпроводимости было обнаружено в 1911 го­ду голландским ученым Г. Каммерлинг-Оннесом при исследовании электропроводимости кольца из замороженной до 4,2 К ртути. Однако удовлетворительное объяснение явления сверхпроводимости было предложено лишь в 1957 году Бардиным, Купером и Шиффером. Большой вклад в теорию сверхпроводимости внесли советские ученые Н. Н. Боголю­бов и А. А. Абрикосов.

Механизм возникновения сверхпроводимости заключается в следующем. В некоторых материалах при низких темпера­турах взаимодействие электронов с кристаллической решет­кой столь велико, что возникают силы, связывающие элект­роны попарно в так называемые пары Купера, а именно, два электрона, находящиеся с разных сторон от ближайшего положительно заряженного иона решетки, притягиваются к не­му силами кулоновского притяжения, а при наличии электри­ческого поля дрейфуют внутри кристалла парами без рас­сеивания энергии. Такие пары существуют только при тем­пературах ниже некоторой критической (вполне определен­ной для каждого сверхпроводника), т. е. тогда, когда тепло­вой энергии системы недостаточно для разрыва связей меж­ду электронами. Отсутствие рассеяния электронов на тепло­вых колебаниях узлов кристаллической решетки при данном механизме электропроводности приводит к тому, что ток, од­нажды наведенный в сверхпроводящем контуре, может дли­тельно (примерно 10⁵ лет) циркулировать в нем практически без затухания.

Сверхпроводящее состояние может быть разрушено не только при повышении температуры, но и при других внеш­них воздействиях. Таким воздействием может быть, напри­мер, высокочастотное электрическое или магнитное поле; при этом безразлично, создается ли последнее током, идущим по самому сверхпроводнику, или внешним источником магнит­ного поля.

С
огласно термодинамической теории сверхпроводимости, сверхпроводящее и несверхпроводящее («нормальное») состояния являются двумя фазами вещества, переходящими одна в другую при определенных значениях параметров со­стояния— температуры Т_кр и напряженности магнитного по­ля. Значение величины магнитной индукции, при которой происходит переход материала из сверхпроводящего в нор­мальное состояние, называют критической и обозначают В_кр. По характеру перехода различают сверхпроводники пер­вого и второго рода, фазовые диаграммы которых приведены на рис. 3.3, а, б соответственно. Кривая, отделяющая область сверхпроводящего состояния от несверхпроводящего, назы­вается граничной кривой.

Рис. 3.3

Для сверхпроводников первого рода характерно скачко­образное изменение состояния вещества (его внутренней энергии). Сверхпроводники второго рода имеют промежуточ­ное состояние, при котором одновременно существуют сверхпроводящая и нормальная фазы. Значения В_кр1 и В_кр2 могут отличаться в сотни раз. К сверхпроводникам второго рода относятся твердые сверхпроводники, т. е. все сплавы, интер­металлические соединения, а также пленки даже из сверх­проводников первого рода, если толщина их меньше глубины проникновения магнитного поля.

Как видно из рисунков, наибольшее возможное значение температуры перехода данного сверхпроводникового материа­ла достигается лишь при ничтожно малой магнитной индук­ции и наоборот. Проблема повышения значений этих вели­чин В_кр и Т_кр является одной из важнейших проблем физики и технологии сверхпроводниковых материалов. Существуют теоретические предпосылки, что некоторые органические полупроводниковые материалы будут сверхпроводящими при комнатной температуре. Однако до настоящего времени та­кие материалы получить не удалось.

В 1933 году немецкие физики В. Майсснер и Р. Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся «идеальными диамагнетиками», т. е. их магнитная проницаемость μ скачком падает с μ≈1 до μ=0. Поэтому внешнее магнитное поле не про­никает в сверхпроводящее тело, а если переход произошел в магнитном поле, то поле практически полностью «вытал­кивается» из сверхпроводника.

Этот эффект (эффект Майсснера) нашел применение для изготовления подшипников с «магнитной смазкой», работаю­щих практически без трения с взаимным отталкиванием ва­ла и подшипника, для «магнитной подвески» вагонов сверх­скоростного железнодорожного транспорта и т. п.

Наряду с этим широкое применение нашли сверхпровод­ники при производстве электромагнитов. Сверхпроводниковый электромагнит представляет собой сверхпроводниковый соленоид, обтекаемый током. Сверхпроводниковые электро­магниты намного дешевле по сравнению с обычными электро­магнитами, меньше по габаритам и массе, расходуют мень­ше энергии.

Помимо электромагнитов сверхпроводники используются для изготовления обмоток электрических машин, трансфор­маторов и других устройств малой массы и габаритов и с высоким КПД, кабельных линий для передачи больших мощ­ностей, волноводов с малым затуханием, накопителей энер­гии и пр. Ряд устройств памяти « управления основывается на переходе материала из сверхпроводимого состояния в нор­мальное при изменении магнитной индукции или темпера­туры.

В последнее время появились сообщения о наблюдении эффекта сверхпроводимости в ряде полупроводников, напри­мер, в титанате стронция, где сверхпроводимость обнаруже­на в расстехиометриропанных по кислороду кристаллах при концентрации носителей 10¹⁸—10²¹ см³. Открытие этих мате­риалов делает возможным создание принципиально новых приборов и систем в микроэлектронике.

г) Криопроводники

В п. б было показано, что удельная электрическая про­водимость металлов увеличивается с повышением его чисто­ты и понижением температуры. Материалы, которые с этой точки зрения имеют наиболее выгодные свойства, т. е. наибольшее изменение проводимости при понижении температур до криогенных, называются криопроводниками. Значение удельного электрического сопротивления криопроводников в области низких температур (но при температурах выше Т_кр, если данный материал принадлежит к сверхпроводникам) на три-четыре порядка меньше, чем при нормальной темпера­туре. Для обычных металлов это изменение составляет один порядок. Необходимо отметить, что физические процессы, лежащие в основе явлений сверхпроводимости и криопроводимости различны. В отличие от сверхпроводников, к кото­рым принадлежат многие сплавы и химические соединения, в качестве криопроводников применяются только чистые ме­таллы с минимально возможной концентрацией дефектов кристаллической решетки.

Лучшим криопроводником в области температур, близких к температуре жидкого водорода (около 20 К), является чистый алюминий, а для области температур, близких к тем­пературе жидкого азота - бериллий.

Возможность использования более дешевых хладоагентов: жидких водорода и азота по сравнению с жидким гелием — является одним из главных преимуществ применения криопроводников по сравнению со сверхпроводниками. Это упро­щает конструкцию и эксплуатацию установок, упрощает теп­ловую изоляцию и уменьшает расход энергии на охлаждение. Допустимые плотности тока в криопроводниках на один — два порядка больше, чем для обычных проводниковых мате­риалов. Это уменьшает потери в электрических машинах, ап­паратах, кабелях, где криопроводники находят основное применение.

3.4. Перспективы развития

3.4.1. Основные ограничения и тенденции развития

Размеры приборов могут уменьшаться до тех пор, пока не будут достигнуты минимальные линейные размеры с точки зрения физических принципов работы приборов или имеющихся возможностей получения требуемых размеров и допусков.

В большей части микроэлектронных приборов, изготавли­ваемых и находящихся в эксплуатации, используются объем­ные свойства материалов. Это касается прежде всего свойств упорядоченной системы большого набора атомов, при умень­шении размеров которого за некоторую критическую величину используемые физические свойства системы начинают подчи­няться другим законам. Например, при передаче электромаг­нитного излучения с заданной длиной волны через волновод су­ществуют некоторые критические размеры поперечного сече­ния, ниже которых электромагнитная волна по волноводу рас­пространяться не может.

В табл. 3.4.1 приведен список наиболее распространенных приборов с указанием характеристических размеров, наклады­вающих принципиальные физические ограничения на их даль­нейшую миниатюризацию.

Таблица 3.4.1. Факторы, ограничивающие предельные размеры минкроэлектронных приборов

Основные ограничения, свойственные планарному циклу производства приборов, связаны с изготовлением шаблона и травлением (проявлением) рисунка, так как тонкопленочная технология хорошо освоена и глубина залегания слоев объем­ных приборов может контролироваться с необходимой точно­стью. В настоящее время электронно-лучевая литография по­зволяет получать ширину линий до 300 нм с резкостью краев до 10 нм. Дальнейший прогресс при использовании стандарт­ного технологического процесса вряд ли возможен вследствие рассеяния электронов в подложке, однако разработка специ­альных методов электронно-лучевой литографии позволяет на­деяться на получение еще меньших размеров. Ионно-лучевая литография обладает большими возможностями по сравнению с электронно-лучевой, и поэтому при ее использовании можно ожидать освоения в обычном технологическом процессе разме­ров менее 10 нм. Так как с помощью ионного пучка можно вы­полнять операцию плазменного травления после прорисовки рисунка, одновременно решается проблема управляемого трав­ления.

В настоящее время разрешение при наблюдении деталей приборов с помощью электронных микроскопов меньше пре­дельных размеров, связанных с технологическими ограничени­ями, а возможности исследования свойств материалов, из ко­торых изготавливаются приборы, также приближаются к ана­логичным пределам.

Из предыдущего обсуждения можно сделать вывод, что в ближайшие 10—20 лет будут достигнуты предельные раз­меры, соответствующие фундаментальным физическим ограни­чениям. Кроме того, следует ожидать в ближайшие десятиле­тия изобретения, изготовления и освоения новых типов прибо­ров, основанных на объемных эффектах. Эти приборы выйдут за рамки традиционной микроэлектроники и будут использо­ваться для химического анализа, в качестве чувствительных элементов и для выполнения биологических функций.

Характеристики

Список файлов учебной работы