Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные физические процессы в проводниках, полупроводниках и диэлектриках. Учебное пособие
.pdf
111
значительно меньше, чем основных, обратный ток через р-п-переход будет мал по
,1
0
Tk
Uq
eII
Рисунок 4.14 – Зонная диаграмма электронно-дырочного перехода (обратное
смещение)
сравнению с тем, который протекает при прямом включении. Такое напряжение не
p-n-пререходе называется «обратным». При данной полярности приложенного
напряжения р-п-переход будет «закрыт». Явление переноса неосновных носителей
заряда под действием обратного напряжения на p-n-пререходе называется
«экстракцией».
Свойство односторонней проводимости p-nперехода нетрудно рассмотреть на
вольтамперной характеристике (рисунок 4.15). Вольтамперной характеристикой
(ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего
через p-n-переход тока от величины приложенного напряжения (I=f(U)).
Уравнение ВАХ для идеального p-n-перехода имеет вид:
(4.26)
где I
– ток, обусловленный переносом собственных носителей заряда;
0
q – заряд электрона;
112
Т – температура;
Рисунок 4.15 – Вольтамперная характеристика p-n-перехода
U – напряжение, приложенное к p-n переходу;
k – постоянная Больцмана.
4.7 Контрольные вопросы
1 Какой полупроводник называется собственным?
2 Что такое примесный полупроводник?
3 Какие примеси называются донорными, а какие акцепторными?
4 Как смещается уровень Ферми в примесных полупроводниках?
5 Что такое примеси внедрения и примеси замещения?
6 Какие примеси замещения в простых полупроводниках являются донорами,
а какие – акцепторами?
7 Что такое закон «действующих масс»?
8 Какой полупроводник называется вырожденным?
9 Каковы условия вырождения полупроводника?
10 Как зависит от температуры концентрация носителей в полупроводнике?
11 На чем могут рассеивать носители заряда в ковалентных полупроводниках?
12 Что такое фотопроводимость?
113
13 Что такое тензочувствительность?
14 Как фотопроводимость зависит от длины волны падающего излучения?
15 Какие существуют механизмы рекомбинации носителей в
полупроводниках?
16 За счет каких явлений в сильных полях в полупроводниках наблюдается
отступление от закона Ома?
17 Что такое электронно-дырочный переход?
18 Что происходит на p-n-переходе при прямом смещении?
19 Что значит закрытый p-n-переход?
114
5 Магнитные материалы и их основные свойства
5.1 Основные сведения о магнитных материалах
Источником магнетизма в веществах является движущиеся электрические
заряды. Движение электрона по орбите создает орбитальный магнитный момент,
вращение электрона вокруг собственный оси создает спиновый магнитный момент.
По своей природе различают следующие виды магнетизма: диамагнетизм,
парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.
К диамагнетикам относятся вещества, атомы или молекулы, которых в
отсутствии внешнего поля не имеют собственных магнитных моментов. Физическая
природа диамагнетизма связана с индуцированным внешним полем спиралевидным
движением электронов по замкнутым орбитам (ламорова прецессия).
Диамагнетизмом обладают все без исключения вещества. Но преобладающим видом
магнетизма он является только в веществах с заполненными электронными
оболочками. Если же вещества наряду с диамагнетизмом обладают и другими
видами магнетизма, то роль последних перекрывает роль диамагнетизма.
Внутренняя намагниченность, возникающая в диамагнетике направлена
навстречу внешнему полю, поэтому диамагнитная восприимчивость χD по знаку
отрицательная, а по величине – 10-6—10
-7
. Диамагнитная проницаемость μ
< 1.
D
Внешним проявлением диамагнетизма являются выталкивание диамагнетиков
из неоднородного магнитного поля. К диамагнетикам относятся: инертные газы,
медь, серебро, золото, ртуть и др.
Основной чертой парамагнитных тел является наличие у их атомов в
отсутствии внешнего поля собственных орбитальных и спиновых магнитных
моментов. Парамагнетизм обнаруживается только от не спаренных валентных
электронов – электронов проводимости. В отсутствие внешнего поля магнитные
моменты атомов за счет энергии теплового движения ориентированы беспорядочно,
в результате чего суммарная намагниченность парамагнетиков равна нулю. При
наложении внешнего поля магнитные моменты атомов ориентируются по полю. В
115
парамагнетики внутреннее поле сонаправлено с внешнем, поэтому парамагнетики
притягиваются к полюсам магнита. Парамагнитная восприимчивость величина
положительная и равна 10
-3
– 10
-6
, магнитна проницаемость незначительно
отличается от единицы.
К парамагнетикам относятся щелочные металлы, соли железа, кобальта,
никеля, алюминий, натрий, магний и др.
Ферромагнетики это вещества, в которых ниже определенной температуры
(температуры Кюри) имеются отдельные макрообласти (домены) со спонтанной
намагниченностью. Внутри доменов спиновые моменты всех атомов в отсутствие
внешнего магнитного поля ориентированы параллельно. Магнитные моменты
доменов при этом ориентированы беспорядочно и взаимно компенсируются. При
наложении внешнего магнитного поля магнитные моменты всех доменов
постепенно переориентируются вдоль поля. Ферромагнитная восприимчивость
величина положительная и равна до 10
6
, магнитная проницаемость – 104 – 105.
Примеры ферромагнетиков: железо, кобальт, никель и др.
Антипараллельное расположение соседних спинов называется
антиферромагнетизмом. Антиферромагнитная восприимчивость величина
положительная и равна до 10
-4
, магнитная проницаемость – порядка единицы. К
антиферромагнетикам относятся хром, марганец, редкоземельные элементы и др.
Не полностью скомпенсированное антиферромагнитное упорядочение
спиновых магнитных моментов называется ферримагнетизмом. Ферримагнитная
восприимчивость величина положительная и равна до 104, магнитная проницаемость
– 103– 104. Наиболее важными ферримагнетиками являются ферриты – химические
соединения окиси железа с окислами других металлов с общей формулой
МеОFe
, где Ме двухвалентный металл (Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Cd и др.).
2О3
5.2 Магнитные характеристики материалов
Свойства магнитных материалов оценивают величинами, называемыми
магнитными характеристиками. Рассмотрим важнейшие магнитные характеристики.
116
Магнитный момент тела М равен произведению намагниченности J на объем
Н
В
тела V:
M=VJ. (5.1)
Намагниченность вещества J – это его способность изменять свой магнитный
момент под действием внешнего магнитного поля напряженностью Н, измеряется в
А\м. Намагниченность характеризуется магнитной восприимчивостью χ, которая
представляет из себя намагниченность, возникающую под действием внешнего
магнитного поля единичной напряженности для неферромагнитных веществ:
J=χH. (5.2)
В системе СИ χ величина безразмерная.
Абсолютная магнитная проницаемость материала – способность вещества
менять свою индукцию В при взаимодействии внешнего поля, измеряется в генри
деленный на метр:
μ
=μ0 μ, (5.3)
а
где μ
вакууме μ
– магнитная постоянная – величина, характеризующая магнитное поле в
0
= 1,25663710-6 Гн/м;
0
μ – относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина).
Кроме того, абсолютная магнитная проницаемость представляет собой
отношение величины магнитной индукции В к величине напряженности магнитного
поля Н для данного материала:
μ
=
а
где В – индукция, Тл;
Н – напряженность магнитного поля, А/м.
, (5.4)
117
Абсолютная магнитная проницаемость применяется только для расчетов. Для
,1
000010
HHJHBBB
1
оценки свойств магнитных материалов используют величину относительной
магнитной проницаемости, являющуюся безразмерной величиной. Ее называют
просто магнитной проницаемостью.
Магнитной индукцией в веществе В называется сумма индукции внешнего В0
и собственного В
полей (измеряется в Теслах).
1
(5.5)
Тогда
. (5.6)
5.3 Особенности ферромагнетиков
Ферромагнитные вещества относятся к парамагнитной группе тел, однако они
обладают рядом свойств, выделяющих их из остальных парамагнитных веществ.
Во-первых, абсолютные значения магнитной восприимчивости и магнитной
проницаемости имеют очень большую величину по сравнению с другими
парамагнитными веществами ( μП ~1 и μФ ~ 106, χП 10-4 и χФ106)
Во- вторых, в этих веществах нарушается линейная зависимость между
внешним полем и намагничиванием. Магнитная восприимчивость χ и магнитная
проницаемость μ ферромагнетиков является функцией внешнего поля, причем эта
зависимость весьма сильная.
В – третьих, зависимость намагниченности ферромагнетика от величины
внешнего поля неоднозначна ( петля гистерезиса). Из петли гистерезиса следует, что
намагниченность ферромагнетика в отсутствии поля может быть отлична от нуля.
5.3.1 Магнитные домены. В 1907 году Вейсс предложил следующую модель
для описания ферромагнетизма. В ферромагнетике существует некоторое
внутреннее молекулярное поле (поле Вейсса), которое заставляет магнитные
118
моменты атомов ориентироваться параллельно друг другу. Поле Вейсса позволяет
описать поведение ферромагнетиков при температуре большей температуре Кюри.
При более низких температурах это поле не является причиной ориентации
магнитных моментов атомов ферромагнетика. Силы, ориентирующие спины
электронов, не магнитные. Это силы электростатического взаимодействия в системе
электронов. При сближении атомов (при образовании кристаллического состояния)
в некоторых случаях в результате перекрытия волновых функций электронов
соседних атомов возникает так называемое обменное взаимодействие,
благоприятствующее параллельной ориентации спинов соседних атомов, т.е.
существование доменов является энергетически выгодным.
При сближении свободных атомов и образовании кристалла дискретные
состояния атома, соответствующие электронным оболочкам, расщепляются в зоны.
Внутри каждой зоны находится большое число дискретных уровней, на которых
размещаются все электроны всех атомов кристалла. Если в зонах имеются
свободные уровни, то это приводит к существованию отличного от нуля магнитного
момента атома. Так как на каждом уровне внутри зоны может находится только два
электрона с противоположно ориентированными спинами, то для осуществления
параллельной ориентации спинов части электронов должна переходить на более
высокие уровни в зоне. Но это соответствует увеличению их энергии. Если
уменьшение энергии за счет обменного взаимодействия превысит прирост энергии,
параллельная ориентация спинов становится более выгодной, вещество будет
проявлять ферромагнитные свойства
Следовательно, благоприятные условия для возникновения ферромагнетизма
следующие:
1) в атомах должны быть лишь частично заполненные оболочки;
2) плотность состояний в энергетических зонах, образованных из этих
оболочек должна быть велика (прирост энергии тем меньше, чем уже зона, т.е. чем
больше в ней плотность состояний).
Внутренние оболочки не удовлетворяют первому условию (они, как правило,
заполненные), а незаполненные валентные оболочки – второму, так как ширина
119
зоны тем больше, а плотность состояний тем меньше, чем более удалена оболочка
Поля нет
Слабое поле
Сильное поле
Насыщение
Н Н Н
а б в г
а- ненамагниченное состояние; б – смещение границ доменов; в, г – поворот вектора
намагничивания
Рисунок 5.1 – Схема, иллюстрирующая основные процессы намагничивания
ферромагнетика:
от ядра.
Поэтому в большинстве твердых тел условия, необходимые для
возникновения ферромагнетизма не выполняются.
Явление ферромагнетизма связано с самопроизвольным образованием под
влиянием внутренних полей в структуре макроскопических областей, называемых
магнитными доменами, в которых электронные спины ориентированы взаимно
параллельно. Таким образом, основным свойством ферромагнитного состояния
вещества является самопроизвольная (спонтанная) намагниченность без
приложения внешнего магнитного поля. В отсутствии поля векторы магнитных
моментов доменов направлены хаотично, а поэтому намагниченность такого тела
равна нулю (рисунок 5.1, а).
При наложении внешнего магнитного поля могут происходить два процесса,
приводящие к увеличению результирующей намагниченности.
1 Увеличение объема доменов, имеющих выгодную ориентацию
относительно направления внешнего поля. Увеличения объема домена происходит
за счет перемещения его границ (рисунок 5.1, б).
2 Поворот вектора намагничивания доменов в направлении внешнего поля
(рисунок 5.1, в, г).
В слабых полях намагниченность изменяется за счет первого процесса, а в
сильных – за счет второго.
120
5.3.2 Для ферромагнетиков магнитная проницаемость зависит от
μ
t
к
t
Рисунок 5.3 – Зависимость проницаемости магнитного материала от
температуры
Рисунок 5.2 – Графики зависимости магнитной проницаемости от
напряженности магнитного поля
напряженности магнитного поля (рисунок 5. 2).
Различают магнитную проницаемость начальную μ
и максимальную μМ.
Н
Величины начальной магнитной проницаемости измеряют при напряженностях
магнитного поля, близких к нулю. Большие значения μ
и μМ показывают, что
Н
данный магнитный материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных
полях.
Величина магнитной проницаемости ферромагнетика зависит от температуры.
Типичная зависимость магнитной проницаемости от температуры показана на
рисунке 5.3.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]