ПРЕЗЕНТАЦИЯ На тему «Полупроводники и сверхпроводники»

ПРЕЗЕНТАЦИЯ На тему «Полупроводники и сверхпроводники» Выполнила: Е. К. Бузаева

Полупроводникии — материалы , по своей удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками , и отличающиеся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения

Основное свойство полупроводника — увеличение электрической проводимости с увеличением температуры. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (э. В). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. Ширина запрещённой зоны — это ширина энергетического зазора между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны, в котором отсутствуют разрешённые состояния для электрона. Величина ширины запрещённой зоны имеет важное значение при генерации света в светодиодах и полупроводниковых лазерах и определяет энергию испускаемых фотонов. К числу полупроводников относятся многие химические элементы: Si кремний, Ge германий, As мышьяк, Se селен, Te теллур. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира являются полупроводниками.

Для получения полупроводника с дырочной проводимостью в него внедряют элемент с тремя электронами на внешней оболочке, например, индий (In), электроны которого могут заполнить только 3 ковалентные связи из 4. В результате около атома индия образуется дырка, а в полупроводнике – дырочная проводимость. Такая примесь называется акцепторной, а полупроводник – p-типа (от слова positive – положительный). Примесь, которая образует свободные электроны, называется донорной, а полупроводник с такой примесью называется полупроводником n-типа (от слова negative – отрицательный).

Включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее — являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.

Полупроводниковый диод – это p-n переход, вставленный в герметичный корпус. Диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Основными характеристиками полупроводниковых диодов являются рабочая частота, прямой ток и обратное напряжение. -обозначение диода на схемах, высокочастотный диод, применяется в радиоустройствах — низкочастотный маломощный диод, применяется в блоках питания промышленной и бытовой радиоаппаратуры — низкочастотный мощный диод, применяется в выпрямителях в промышленных установок —

Сверхпроводники — вещества, у которых при охлаждении ниже определённой критической температуры Тк электрическое сопротивление падает до нуля, т. е. наблюдается сверхпроводимость. За исключением Cu, Ag, Au, Pt, щелочных (Li, Na, К и др. ), щёлочноземельных (Са, Sr, Ba, Ra) и ферромагнитных (Fe, Co, Ni и др. ) металлов, большая часть остальных металлических элементов является сверхпроводниками.

1883 — сжижение азота Зигмунт Врублевски Кароль Ольшевски

1898 — жидкий водород Джеймс Дьюар

В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес.

8 апреля 1911 года он обнаружил, что при 3 градусах Кельвина (около -270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Следующий эксперимент показал, что резкий скачок сопротивления до нуля происходит при температуре около 4, 2 К (позднее измерения показали, что эта температура равна 4, 15 К). График такого поведения сопротивления в зависимости от температуры приведен на рисунке.

Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем и Хайнцем Лондоном. Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Лев Давидович Ландау Виталий Лазаревич Гинзбург

Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Джон Роберт Шриффер Леон Нил Купер. Джон Бардин

Критическая температура Сверхпроводимость возникает скачком при понижении температуры. Температура T c , при достижении которой происходит скачок, называется критической. Внимательное исследование показывает, что такой переход наблюдается в некотором интервале температур. Вид «сверхпроводящего перехода» . Зависимость сопротивления от температуры для образца 1 (более «чистого» ) и 2 (более «грязного» ). Критическая температура T c обозначает середину перехода, когда сопротивление падает наполовину по сравнению с нормальным состоянием. Начало падения — T c 0 , конец — T ce

Металлы, их температура сверхпроводящего перехода, T к К, год опубликования обнаружения сверхпроводимости

Критическое магнитное поле в сверхпроводниках, характерное значение напряжённости магнитного поля Н к , выше которого происходит полное или частичное проникновение магнитного поля в сверхпроводник. При Н < Н к магнитное поле в сверхпроводник не проникает, его экранирует поверхностный сверхпроводящий ток.

Сверхпроводники I рода Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры Т к и критической напряженности магнитного поля Н к у них малы, что затрудняет их практическое применение.

Сверхпроводники II рода переходят в сверхпроводящее состояние не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале температур. Значения Т к и Н к у них больше, чем у сверхпроводников I рода. Соответственно для сверхпроводников II рода различают нижнее критическое поле Н к 1, верхнее критическое значение поля Н к 2.

Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Т к = 3, 7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Жесткие сверхпроводники Сверхпроводники II рода, имеющие структурные неоднородности (дефекты решетки, примеси), называют «жесткими» сверхпроводниками. Часто «жесткие» сверхпроводники II рода выделяют в самостоятельный класс — сверхпроводники III рода. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др. ), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления, например при пластическом деформировании, протяжке и т. д. Их применяют для изготовления обмоток магнитов сверхпроводящих и других целей. Существенным недостатком жёстких сверхпроводников является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям типа V 2 Ga, Nb 3 Sn и др.

Высокотемпературные сверхпроводники В настоящее время все вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние условно разделяют на две большие группы: низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. К низкотемпературным сверхпроводникам относят сверхпроводники, у которых Т к 25 К. К таким сверхпроводникам относятся некоторые металлы и сплавы, ряд полупроводников и интерметаллических соединений типа Nb. N, Ta. C. В 1986 были открыты высокотемпературные сверхпроводники, у которых Т к выше температуры жидкого азота, равной 77 К. К ним относятся сложные соединения — керамика на основе оксида меди и другие оксидные сверхпроводники.

Перспективы практического применения сверхпроводимости были очевидны давно, но первые сверхпроводники требовали низких температур и могли проводить лишь небольшие токи; при превышении критической плотности тока сверхпроводимость разрушалась. Реальные применения сверхпроводимости стали возможными только после существенного прогресса в науке и технике – к 1970 -м годам. Спектр применений сверхпроводников удобно разделить на относительно маломощную электронику (быстродействующие вычислительные устройства, детекторы магнитного поля и излучений, оборудование для связи в микроволновом диапазоне) и силовые применения (кабели, токоограничители, магниты, моторы, генераторы, накопители энергии). В силовых применениях сверхпроводники позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования. Отсутствие электрического сопротивления позволяет использовать сверхпроводники для эффективной передачи электроэнергии. Замена медной обмотки в транформаторах на сверхпроводящие провода позволит уменьшить потери электроэнергии на 80 -90% и снизить общую массу примерно в 2 -3 раза. Исключение трансформаторного масла делает сверхпроводниковый трансформатор пожаробезопасным и экологически безупречным. Бóльшая устойчивость к работе при перегрузках позволит заменить традиционный трансформатор менее мощным сверхпроводниковым, а уменьшенное старение изоляции из-за низких рабочих температур и отсутствия температурных градиентов позволит увеличить время эксплуатации.