33.8. Фотопровідність

При поглинанні напівпровідником фотона, енергія якого більша ширини заборонної зони (h>W), можливий перехід електрона з валентної зони в зону провідності й одночасне утворення дірки у валентній зоні. Утворення додаткових носіїв заряду приводить до збільшення провідності напівпровідника. Поряд з утворенням фотоелектронів і фотодірок відбувається конкуруючий процес їхньої рекомбінації. У результаті при постійній освітленості напівпровідника утворюється порівняно невелика стаціонарна концентрація вільних носіїв струму. Для збільшення ефекту в напівпровідник вводять домішкові атоми (пастки), які, наприклад, можуть захоплювати дірки з валентної зони. Тоді число електронів у зоні провідності може значно зрости, оскільки їхня рекомбінація з дірками утруднена. У цьому випадку чутливість напівпровідника до освітлення різко зростає й зміна опору може становити 10⁶.

Напівпровідникові фотоопори широко використовуються для реєстрації світлових сигналів. Їх переваги – висока фоточутливість і малі габаритні розміри, а недоліки - нелінійність люкс-амперної характеристики та інерційність.

34. Макроскопічні квантові ефекти

34.1 Явище надпровідності

У попередніх розділах ми вивчали квантово-механічні явища на мікроскопічному рівні. Виявляється, що в таких ефектах, як надпровідність металів і надтекучість рідкого гелію, квантово-механічні ефекти проявляються в макроскопічних масштабах.

Явище надпровідності полягає в тому, що при температурах, менших деякої критичної, опір ряду металів і сплавів стрибком зменшується до нуля. Це явище було відкрито в 1911 р. Камерлінг-Онесом. Відзначимо деякі властивості надпровідників.

Рис. 34.1

1. Надпровідний стан спостерігається в інтервалі температур від 0 до T_кр. При T=T_кр опір стрибком збільшується до деякого значення R0 і при подальшому рості температури лінійно зростає. У нормального металу, тобто металу, що не переходить у надпровідний стан, при T0 опір наближається до деякого залишкового опору R₀0, що обумовлено розсіюванням електронів на дефектах кристалічної гратки (рис. 34.1).

2. При пропусканні через надпровідник струму створюється магнітне поле і, коли індукція магнітного поля стає рівною B_кр, надпровідний стан руйнується. Таким чином, значення надпровідного струму обмежено зверху деяким значенням B_кр.

3. Розрізняють надпровідники першого та другого роду. Надпровідники першого роду (чисті метали) однорідні за структурою і надпровідний стан у них виникає в повному обсязі. Надпровідники другого роду (деякі сплави) у відносно слабких магнітних полях стають неоднорідними і розбиваються на надпровідні зони (області) та зони нормального металу. Слід зазначити також, що в надпровідників другого роду надпровідні зони можуть зберігатися навіть у дуже сильних магнітних полях, що важливо для практичних цілей.

4. Для надпровідників першого роду характерний ефект Мейснера, що полягає в тому, що в процесі охолодження металу в магнітному полі в момент переходу його в надпровідний стан магнітне поле повністю витісняється з його об'єму. Це означає, що в надпровіднику може протікати тільки поверхневий струм (товщина шару провідності 10^-8 м). Магнітне поле цього струму компенсує зовнішнє магнітне поле, так що усередині надпровідника повне поле дорівнює нулю.

Теорія надпровідності була створена в 1957 р. Д. Бардіним, Л. Купером і Д. Шриффером (теорія БКШ) і вдосконалена М. М.Боголюбовим. Основна ідея теорії БКШ така. Електрони, що рухаються в металі, оточені «хмаркою» позитивного заряду, що виникає через притягання до них позитивних іонів кристалічної гратки. До такої системи (електрон — «хмарка» позитивного заряду) може бути притягнутий який-небудь інший електрон, що також оточений «хмаркою» позитивного заряду. У тому випадку, коли спіни електронів протилежні, такий зв'язок є стійким і утвориться так звана куперівська електронна пара. Оскільки спін куперівської пари дорівнює нулю, то куперівські пари є бозонами й при зниженні температури до 0 К вони розташовуються на самому нижчому енергетичному рівні.

Енергію зв'язку куперівської пари позначають . На відміну від нормального металу в надпровідників між заповненими й незаповненими станами є енергетична щілина шириною  (рис. 34.2).

Рис. 34.2

Розсіювання одного з електронів пари на неоднорідності кристала означало б розрив зв'язку, на що необхідна енергію . При низьких температурах і малих швидкостях руху електрону нівідкіля взяти енергію для розриву цього зв'язку. У цих умовах куперівські пари можуть вільно, без зіткнень рухатися по всьому кристалі. Це означає повну відсутність опору: R=0.

При підвищенні температури ширина енергетичної щілини зменшується й при T=T_кр значення  стає рівним нулю — надпровідність зникає.

Значення критичної температури T_кр для більшості металів і сплавів дуже малі. Наприклад, для ніобію T_кр=9, свинцю — 7,2 K, вольфраму — 0,01 K. Довгий час рекордне значення T_кр мала плівка зі сполуки Nb₃Ge: T_кр=23 K.

В 1986 р. спочатку Г. Беднорз і А. Мюллер, а потім Р. Чу відкрили високотемпературну надпровідність для сполук типу керамік, що складаються із суміші оксидів. Так, для кераміки La₂O₃BaCu T_кр=33 K, а для кераміки YO₃BaCu T_кр=90 K. В 1988 р. було досягнуто рекордне значення T_кр=128 K.

Механізм утворення куперівських пар у високотемпературних надпровідниках поки неясний – дослідження в цьому напрямку тривають.

Рис. 34.3

Як було відзначено, надпровідність являє собою явище, у якому квантово-механічні ефекти виявляються не в мікроскопічних, а у великих, макроскопічних масштабах. Особливо наочно макроскопічні квантові властивості виражені в ефекті квантування магнітного потоку в надпровідному кільці зі струмом. Установлено, що якщо через тороїдальне надпровідне кільце пропустити електричний струм (рис. 34.3), те потік магнітного поля  через поверхню, охоплювану кільцем, може приймати лише дискретні значення

=n₀,

де — квант магнітного потоку, або флюксон.

Механізм квантування магнітного потоку розглянуто у Додатку 10.

На закінчення розглянемо деякі практичні застосування явища надпровідності.

Для згладжування піків споживання електроенергії вже зараз використовуються надпровідні індукційні нагромаджувачі, які можуть акумулювати до 410³ кВтгод, успішно конкуруючи з гідроакумулюючими агрегатами, створені дослідні зразки надпровідних ліній електропередачі, які за вартістю перевищують звичайні майже в 2 рази. Надпровідники використовують також при конструюванні деяких типів електрогенераторів, при створенні транспортних систем. Особливо слід виділити використання надпровідників в інформатиці й конструюванні високочутливих приладів для вимірювання малих температур, слабких магнітних полів тощо. Сверхпроводящие магниты используются в ускорителях элементарных частиц для создания сильных магнитных полей.