9.13. Понятие о сверхпроводимости

Рис. 9.29

Сверхпроводимость  свойство многих веществ, в том числе и проводников и многих сплавов и др., состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком уменьшается до нуля при охлаждении образцов ниже критической температуры Т_С, характерной для данного материала (рис. 9.29).

Впервые сверхповодимость обнаружена Камерлинг-Оннесом при охлаждении ртути ниже Т_С = 4,3 К. Удельное сопротивление веществ в сверхпроводящем состоянии мало ( < 10^22 Омм), в то время как, например, у чистых образцов меди или серебра при температуре жидкого гелия  10 ^11 Омм.

Согласно этому принципу в твердых телах при Т = 0 К на каждом энергетическом уровне в разрешенной зоне могут находиться одновременно только два электрона с противоположными спинами.

Рис. 9.30

В металлах число валентных электронов таково, что, разместив все электроны по разрешенным уровням, начиная с низшего, можно получить частично заполненную зону (зона проводимости “С”), в которой наивысший занятый электронами уровень называют уровнем Ферми (рис. 9.30, а).

Электропроводность обычных металлов определяется свойствами фермиэлектронов и процессами их рассеяния на ионах кристаллической решетки, совершающих тепловые колебания; примесях; дислокациях и других структурных несовершенствах кристалла.

При низких температурах сопротивление кристалла определяется в основном примесным рассеянием.

Электропроводимость примесных полупроводников

Монокристаллы полупроводников всегда имеют различные неоднородности, дефекты, в том числе и примесные атомы, которые создают собственные энергетические уровни (примесные уровни).

Эти уровни могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах. Для придания полупроводникам необходимых свойств в них специально вводят примеси в нужных пропорциях.

Cуществуют два основных типа примесных полупроводников: донорные и акцепторные.

Донорные полупроводники

Четырехвалентный германий имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя соседними атомами, связанными с ним валентными силами. Если внедрить в решетку германия атомы пятивалентного мышьяка, то пятый электрон его атомов связи не образует (рис. 5.27, а).

Этот электрон будет двигаться в поле атома мышьяка, ослабленного в поле решетки германия в  = 16 раз (  диэлектрическая проницаемость германия), а энергия связи мышьяка уменьшается в  256 раз и cоставляет W  0,01 эВ, что соответствует энергии активации. При сообщении этому электрону такой энергии он отрывается от своего атома и приобретает способность свободно перемещаться в решетке германия, может переходить в зону проводимости.

Образующиеся при этом дырки локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют. Примеси, за счет которых возникает электронная проводимость, называются донорами, а энергетические уровни, на которых расположены электроны примеси,  донорными уровнями W_д (рис. 5.27, б). Эти уровни располагаются в запрещенной зоне у дна зоны проводимости, имея энергию активации W_д  0,01 эВ. Уровень Ферми в донорных полупроводниках располагается посередине между донорным уровнем и дном зоны проводимости.

Все полупроводники с донорной примесью, называются полупроводниками n  типа.

Акцепторные полупроводники

При введении в кристаллическую структуру 4-х валентного кремния атомов трёхвалентной примеси (например, индий), только три валентных электрона вступят в связь с четырьмя соседними атомами кремния. Четвёртая связь оказывается незаполненной и она не несёт заряда, т.е. атом примеси является электрически нейтральным.

При воздействии даже небольшой тепловой энергии электрон кремния может перейти в эту связь.

На внешней оболочке акцептора появляется лишний электрон, т.е. он превращается в отрицательный ион.

Вакантная связь атома кремния несёт собой уже положительный заряд, являясь дыркой. Электропроводность дырочного полупроводника определяется дырками, которые являются здесь основными носителями заряда.

Таким образом за счёт введения и активации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник, электропроводность которого определяется дырками.

Такую структуру называют дырочный полупроводник, или полупроводник p – типа.

Введение примесей в полупроводник приводит к образованию дополнительных энергетических уровней в запрещённой зоне