4 Явление сверхпроводимости

Зависимость сопротивления от температуры не всегда можно выразить выше написанной формулой. При низких температурах были обнаружены интересные отклонения от этой зависимости.

При приближении температуры некоторых проводников из чистых металлов к абсолютному нулю их сопротивление не стремится к нулю, а стремится к предельному значению.

Измеряя сопротивления проводников при очень низких температурах, голландский физик Х. Камерлинг-Оннесс в 1911 году обнаружил явление, названное сверхпроводимостью. Если из такого вещества сделать замкнутую цепь и возбудить в ней ток, то он будет циркулировать в цепи сколь угодно долго, т.к. носители тока не будут терять своей энергии на нагревание проводника.

Для получения сверхпроводимости нужно иметь чистое вещество с правильной кристаллической решеткой.

Сверхпроводники находят широкое применение. Сооружают электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, создающие магнитные поля на длительное время. Но очень сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Такое поле может быть создано током в самом сверхпроводнике. Сверхпроводящие магниты используются в ускорителях элементарных частиц, МГД-генераторах.

Объяснение сверхпроводимости возможно только на основе квантовой теории. Оно было дано в 1957 году американскими учеными Дж. Бардиным, Л. Купером, Дж. Шриффером и советским академиком Н.Н. Боголюбовым.

Электрический ток в полупроводниках

План

1 Полупроводники

2 Чистые полупроводники

3 Электрическая проводимость полупроводников при наличии примесей

4 Электрический ток через контакт полупроводников p- и n- типов

5 Полупроводниковый диод

6 Транзистор

7 Термисторы и фоторезисторы

1 Полупроводники

В современной технике широко используют материалы, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. К ним относятся германий, кремний, индий, селен и некоторые соединения элементов с кислородом, серой.

Основное их отличие от проводников заключается в том, что вследствие более прочной связи электронов с атомами число свободных электронов значительно меньше числа атомов. Повышение температуры вызывает резкое увеличение числа свободных электронов, следовательно, электропроводности.

Не только нагревание, но и другие внешние воздействия на полупроводники – свет, рентгеновское или ультрафиолетовые лучи, радиоактивное излучение – приводят к увеличению проводимости. В результате этого полупроводники нашли широкое применениев современной технике.

2 Чистые полупроводники

Рассмотрим строение полупроводников на примере кремния.

\ Кремний - четырех валентный элемент, т.е. во внешней оболочке атома четыре валентных электрона. Число ближайших соседей тоже четыре. Взаимодействие пары атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов и движутся между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Эти связи очень прочные и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низких температурах не проводит ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.

Теперь выясним, что происходит при нагревании полупроводников, т.е. как зависит сила тока от температуры?

При нагревании кинетическая энергия валентных электронов увеличивается. Некоторые связи разрываются, и часть электронов становится свободной. Под действием электрического поля они образуют ток.

При разрыве связей образуется вакантное место, где не достает электрона. Это место называется дыркой, где имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями.

Под действием электрического поля направленно перемещаются и свободные электроны, и связанные. Последние перескакивают из одного освободившегося места в связях в связях в другое. Это движение можно описывать как движение дырок в противоположную сторону.