Автор работы: Пользователь скрыл имя, 14 Мая 2013 в 14:46, реферат
Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все драгоценные природные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.
Как известно, полупроводник - это твёрдое тело с ковалентной связью между атомами. При абсолютном нуле температуре все связи между атомами заполнены, в веществе нет зарядов, способных перемещаться под действием приложенного электрического поля. При увеличении температуры в полупроводнике возникают носители зарядов двух типов: электроны и дырки.
Как выяснилось в результате исследований, электрическая проводимость в полупроводниках, однако, обусловлена не только движением свободных электронов (так называемой n-проводимостью за счет направленного движения отрицательно заряженных частиц).
Имеется и второй механизм электропроводности — при этом весьма необычный. При высвобождении электрона из кристаллической решетки полупроводника за счет теплового движения на его месте образуется так называемая дырка — положительно заряженная ячейка кристаллической структуры, которая может в любой момент оказаться занятой отрицательно заряженным электроном, перескочившим в нее с внешней орбиты соседнего атома, где, в свою очередь, образуется новая положительно заряженная дырка. Такой процесс может продолжаться сколь угодно долго и выглядеть со стороны (в макроскопическом масштабе), всё будет так, что электрический ток под внешним напряжением обусловлен не движением электронов (которые всего лишь перескакивают с внешней орбиты одного атома на внешнюю орбиту соседнего атома), а направленной миграцией положительно заряженной дырки (дефицита электрона) в направлении отрицательного полюса приложенной разности потенциалов.
В итоге в полупроводниках наблюдается и второй тип проводимости (так называемая дырочная или p-проводимость), обусловленная также движением отрицательно заряженных электронов, но, с точки зрения макроскопических свойств вещества, представляющаяся направленным током положительно заряженных дырок к отрицательному полюсу.
Явление дырочной проводимости проще всего проиллюстрировать на примере дорожной пробки. По мере продвижения вперед машины, застрявшей в ней, на ее месте образуется свободное пространство, которое тут же занимает следующая машина, место которой сразу же занимает третья машина и т. д. Этот процесс можно представить себе двояко: можно описывать редкое продвижение отдельных машин из числа стоящих в длинной пробке; проще, однако, характеризовать ситуацию с точки зрения эпизодического продвижения в противоположном направлении немногочисленных пустот между застрявшими в пробке машинами.
Именно руководствуясь подобной аналогией, физики и говорят о дырочной проводимости, условно принимая за данность, что электрический ток проводится не благодаря движению многочисленных, но редко трогающихся с места отрицательно заряженных электронов, а благодаря движению в противоположном направлении положительно заряженных пустот на внешних орбитах атомов полупроводников, которые они условились называть «дырками».
Таким образом, дуализм электронно-дырочной проводимости носит чисто условный характер, поскольку с физической точки зрения ток в полупроводниках, в любом случае, обусловлен исключительно направленным движением электронов.
Рассмотрим электропроводность полупроводника с энергетической точки зрения.
Чистый полупроводник при абсолютном нуле температуры и при отсутствии внешнего воздействия описывает энергетической диаграммой, в которой валентная зона полностью заполнена, а в свободной зоне нет электронов. Полупроводник подобен диэлектрику. Если к такому проводнику подводить энергию извне, то часть электронов, находящихся в валентной зоне, получив дополнительную энергию, равной ширине запрещённой зоны, попадёт в свободную зону. Благодаря наличию большого количества свободных уровней в свободной зоне свободные электроны легко изменяют свою энергию под действием электрического поля. Это движение свободных электронов и представляет собой электрический ток в полупроводнике.
Кроме этого, с уходом электронов из валентной зоны в свободную, создаются условия для перемещение электронов в самой валентной зоне. При этом оказывается, что движение в такой почти полностью заполненной зоне эквивалентно может быть описано движением «пустых» мест – «дырок», если им приписать положительный знак. Под действием электрического поля энергия «дырок» тоже изменяется, и общий ток в полупроводнике равен I=Iэл+Iдыр.
Так как в чистом полупроводнике число электронов равно числу дырок, то и те и другие принимают участие в электропроводности в равной мере. Такую электропроводность полупроводников называют собственной.
Полупроводники нашли широкое практическое применение в современной радиоэлектронике и компьютерных технологиях именно благодаря тому, что их проводящие свойства легко и точно контролируются посредством изменения внешних условий.
2. Явление сверхпроводимости и его квантовая природа.
Явление сверхпроводимости было открыто голландским физиком Камерлинг-Оннесом в 1911 году. Камерлинг-Оннесу первому удалось получить жидкий гелии, и он использовал его для создания криостатов — приборов, в которых можно поддерживать очень низкую температуру. В частности, он решил проверить правильность существовавших в то время представлений о поведении электрического сопротивления при низких температурах. Измеряя сопротивление ртути, Камерлинг-Оннес обнаружил, что оно скачком обращается в нуль при температуре около 4 К.
Рисунок 3. «Сверхпроводимость»
Рисунок скопирован с одной из первых работ Оннеса, посвященной сверхпроводимости. По современным данным, график надо сдвинуть на 0,05 К – у Оннеса была неточная шкала температур.
Это явление было названо сверхпроводимостью, а температура перехода в сверхпроводящее состояние — критической. В настоящее время известно много сверхпроводников с самыми разными критическими температурами, от долей градуса до 100 К.
Создание макроскопической теории сверхпроводимости относится к 1957 - 1958 гг.
Объяснение механизма сверхпроводимости невозможно в рамках классических концепций, так что оно является триумфом квантовой теории. Сущность дела состоит в том, что между электронами действуют силы кулоновского отталкивания, тем не менее в твердых телах возникают на ярду с ними также и силы притяжения между электронами, обусловленные тем, что электроны могут обмениваться фононами, т. е. квантами упругих колебаний тела. Это притяжение приводит к образованию вблизи энергетической поверхности Ферми связанных пар электронов.
Квантовые закономерности приводят к тому, что эти пары образуют так называемый Бозе-конденсат, обладающий свойствами сверхтекучести. Поскольку эти пары электронов обладают электрическим зарядом, то их сверхтекучесть равносильна сверхпроводимости.
Так в чем же заключается явление сверхпроводимости, которое смогла полностью объяснить лишь квантовая теория.
Сопротивление всех чистых (лишённых примесей) металлов при приближении к абсолютному нулю температуры стремится к нулю, но в некоторых металлах изменение это происходит не плавно: при некоторой определённой температуре сопротивление внезапно (скачком) падает до нуля или, во всяком случае, до неизмеримо малой величины. Резкость этого скачка характеризуется тем, что в некоторых металлах он происходит при изменении Т всего лишь на 0,001°.
Температура скачка называется критической температурой, а состояние металла ниже этой температуры, характеризуемое отсутствием сопротивления постоянному току, называется сверхпроводящим состоянием.
Последующие исследования сверхпроводников позволили обнаружить многие их замечательные свойства. Оказалось, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем. Критическое поле, при котором это происходит зависит от температуры. Далее обнаружилось, что сверхпроводимость исчезает и в том случае, когда по образцу пропускают достаточно большой ток.
Наконец, был обнаружен так называемый эффект Мейснера.
О его наблюдении сообщили немецкие физики В. Мейснер и Р. Оксенфельд в 1933 году.
До сих пор сверхпроводимостью называли исчезновение электрического сопротивления. Однако сверхпроводимость — нечто более сложное, чем просто отсутствие сопротивления. Это еще и определенная реакция на внешнее магнитное поле. Эффект Мейснера заключается в следующем:
если поместить металл в не очень сильное магнитное поле и понижать температуру, то при переходе металла в сверхпроводящее состояние силовые линии поля вытолкнутся из него.
Последующее изучение показало, что на самом деле при таком переходе у поверхности сверхпроводника возникает небольшой слой толщиной 10-5—10-6 см, в котором циркулируют токи, полностью экранизирующие внутренние области образца от внешнего поля. Толщина этого слоя называется глубиной проникновения.
3.Достижения и перспективы квантовой электроники.
Сейчас, спустя 59 лет, особенно остро осознаешь, что открытие физических принципов квантовой электроники в 1954 году — одно из самых выдающихся достижений науки ушедшего века, придавшее значительный импульс развитию современной цивилизации. Венцом этого достижения, безусловно, является создание в 1960 г. лазера – источника высококогерентного оптического излучения*.
Исключительное многообразие лазеров, классифицируемых, например, по агрегатному состоянию активной среды: газовые, твердотельные (полупроводниковые, кристаллические и на основе стекол), жидкие среды; по методам возбуждения: ("накачки") электрическим током, оптическим излучением, тепловым возбуждением, а также по методам технической реализации, предопределило необычайно широкое их применение в различ-ных областях техники. Многое из того, что в те сравнительно недалекие годы казалось невероятным и вызывало иронические улыбки скептиков, в том числе и физиков, уже стало естественным и привычным, не вызывающим удивления событием.
Результаты, полученные к настоящему времени, которые, с моей точки зрения, являются наиболее значимыми, хотя я, конечно, отдаю себе отчет в том, что этот перечень не может быть исчерпывающим. В нем есть достижения как практического, прикладного плана, так и научного, которые еще ждут своего практического осуществления.
– Глобальная система оптоволоконной связи. В настоящее время можно считать освоенной емкость одного оптоволоконного канала до 1010 бит/с, что эквивалентно передаче одновременно около 10 тыс. телевизи-онных программ. Следует подчеркнуть, что имеются большие резервы повышения скорости информации передачи за счет усовершенствования технических средств. По–видимому, можно ожидать, что в буду-щем оптические линии связи полностью удовлетворят потребности общества в информационном обме-не.
– Стандарты частоты — времени. Современные способы стабилизации частоты генерации электромаг-нитных колебаний лазера дают возможность фиксировать частоту этих колебаний с относительной точно-стью 10–15. Это соответствует такой же точности в измерении временных промежутков: например, такие «часы» дают ошибку во времени равную 1 с за интервал 1015 с, т. е. за 100 млн лет. Близка к решению за-дача прямого переноса этой точности в СВЧ–диапазон, на котором работает Служба времени.
– Генерация сверхкоротких световых импульсов. Специально раз–работанные лазерные системы, генери-рующие широкополосный спектр, способны излучать световые импульсы с минимальной длительностью 4×10–15 с. Импульс имеет пространственную протяженность, равную одной длине волны — примерно 1 мкм. Такие импульсы позволяют "фотографировать" сверхбыстрые атомно–молекулярные процессы, на-пример протекание химических реакций, а также получать сверхвысокие плотности световой мощности при фокусировании излучения в малые объемы.
– Лазерное охлаждение атомов, находящихся в газовом состоянии. Суть этого процесса состоит в том, что небольшое количество атомов, захваченных в так называемую «ловушку» и имеющих первоначально теп-ловые скорости, соответствующие нормальной температуре, облучаются со всех сторон лазерным излуче-нием, имеющим частоту, соответствующую резонансному квантовому переходу.. При этом частота излу-чения должна быть настроена таким образом, что поглощение имеет место только для атомов, движущих-ся навстречу лазерному лучу (из–за эффекта Доплера). При поглощении света передается импульс фото-на, то есть происходит торможение. Далее атом вернется в основное состояние, за счет изотропного спон-танного излучения и процесс торможения будет продолжен. Таким способом удалось охладить атомы до температуры порядка 10–9 К и экспериментально изучать квантово–статистические закономерности в по-ведении ансамбля частиц (конденсация Бозе–Эйнштейна).
– Полупроводниковые лазеры. В практическом освоении новых возможностей, предлагаемых квантовой электроникой, полупроводниковые («диодные») лазеры играют особую роль. Это связано с тем, что в них имеет место прямое преобразования электрического тока в свет и, как следствие этого, они обладают высокой эффективностью — КПД, достигающей 70%. Кроме того, они компактны, и в последние годы удалось существенно повысить их мощность — почти до 20 Вт с одного диода. Среди изделий квантовой электроники диодные лазеры доминируют по объемам продаж и, особенно, по номенклатуре. Они широко применяются в системах оптической связи, устройствах записи—воспроизведения информации на раз-личного типа компактных дисках, в принтерах, дальномерах, измерителях скорости, системах наведения высокоточного оружия и т. д. В последние годы диодные лазеры используются в качестве эффективных источников накачки кристаллических, стеклянных и волоконных лазеров и усилителей, что буквально привело к революции в лазерной технике. Появилась возможность создавать мощные технические ком-плексы для крупномасштабного машиностроения. Таким образом, создание современных диодных лазе-ров позволило преодолеть основное препятствие для широкого применения лазерной техники — низкий КПД.