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

Выполнила: Е.К. Бузаева

проводниками и диэлектриками, и отличающиеся от проводников сильной зависимостью удельной

проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения

вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ).

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.

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).

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.

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 -

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.

Хейке Камерлинг-Оннес.

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.

и Хайнцем Лондоном.
Более общая теория была построена в 1950

году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом.

Лев Давидович Ландау

Виталий Лазаревич Гинзбург

в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона

Шриффера.

Джон Роберт Шриффер

Леон Нил Купер

Джон Бардин

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 Tc обозначает середину перехода, когда сопротивление падает наполовину по сравнению с нормальным состоянием. Начало падения — Tc0, конец — Tce

сверхпроводимости

напряжённости магнитного поля Нк, выше которого происходит полное или частичное

проникновение магнитного поля в сверхпроводник. При Н < Нк магнитное поле в сверхпроводник не проникает, его экранирует поверхностный сверхпроводящий ток.

в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля,

при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры Тк и критической напряженности магнитного поля Нк у них малы, что затрудняет их практическое применение.

не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале

температур. Значения Тк и Нк у них больше, чем у сверхпроводников I рода. Соответственно для сверхпроводников II рода различают нижнее критическое поле Нк1, верхнее критическое значение поля Нк2.

если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например,

у чистого олова Тк = 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.

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 V2Ga, Nb3Sn и др.

состояние условно разделяют на две большие группы: низкотемпературные и высокотемпературные

сверхпроводники.
К низкотемпературным сверхпроводникам относят сверхпроводники, у которых Тк 25 К. К таким сверхпроводникам относятся некоторые металлы и сплавы, ряд полупроводников и интерметаллических соединений типа NbN, TaC.

В 1986 были открыты высокотемпературные сверхпроводники, у которых Тк выше температуры жидкого азота, равной 77 К. К ним относятся сложные соединения — керамика на основе оксида меди и другие оксидные 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.