- •Физические основы электроники
- •Тема 1. Основы теории твердого тела
- •1.1 Строение твердых тел
- •2. Кристаллическое строение веществ:
- •4. Дефекты кристалла
- •1.3 Собственная проводимость полупроводников
- •1.5 Примесные полупроводники
- •1.6 Оптические и электрические свойства полупроводников
- •1.7 Жидкокристальные приборы для отображения информации
- •Тема 2. Физические эффекты в твердых и газообразных диэлектриках
- •2.1 Поляризация, электропроводность, диэлектрические потери, проницаемость
- •Виды поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, самопроизвольная и др.
- •Ионная поляризация. Она возникает вследствие упругого смещения связанных ионов из положения равновесия на расстояние, меньшее постоянной кристаллической решетки.
- •Дипольно-релаксационная поляризация. Заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении электрического поля.
- •Диэлектрики с ионной структурой. К ним относятся твердые неорганические диэлектрики с выше перечисленными поляризациями и делятся по потерям на 2 группы:
- •2.2 Электропроводность диэлектриков, диэлектрические потери, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, виды пробоя в диэлектриках
- •Электропроводность. В твердых диэлектриках представляет собой сумму токов:
- •Пробой диэлектриков. Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем. Различают два вида пробоя: полный и неполный.
- •Тепловой пробой. Обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь. Мощность, выделяющаяся в образце равна:
- •2.3 Сегнетодиэлектрики
- •2.4 Пьезоэлектрики
- •2.5 Активные диэлектрики
- •Вывод. При отсутствии внешнего поля сегентодиэлектрики представляет собой как бы мозаику из доменов - областей с различными направлениями поляризованности.
- •2.6 Электропроводность газообразных диэлектриков
- •4 Вида самостоятельного разряда:
- •Закон Пашека. Пробивное напряжение воздуха и других газов в электрическом поле является функцией произведения давления газа на расстояние между электродами:
- •2.7 Электролюминесценция, катодолюминесценция
- •Тема 3. Физические эффекты в проводниках
- •3.2 Полукристаллические и аморфные металлы и сплавы
- •2 Алюминий
- •3 Железо
- •4 Натрий
- •5 Вольфрам
- •6 Молибден
- •7 Благородные металлы
- •8 Никель и кобальт
- •9 Свинец
- •10 Олово
- •11 Цинк и кадмий
- •12 Индий и галлий
- •13 Ртуть
- •3.3 Особенности металлов в тонкопленочном состоянии
- •Вольфрамобариевые катоды
- •Вторичная эмиссия
- •3.4 Сверхпроводящие проводники. Статический эффект Джозефсона. Применение сверхпроводимости
- •Применение
- •3.5 Контактная разность потенциалов, термо-эдс, эффекты
- •Два закона:
- •Механизм возникновения
- •Тема 4. Физические эффекты в магнитных материалах
- •4.2 Зависимость параметров от температуры. Свойства магнитных материалов в свч полях
- •Магнитодиэлектрики
- •Тема 5. Физические основы процессов в полупроводниковых материалах
- •Концентрация зарядов в пп. Вероятность Fn (w) нахождения свободного электрона в энергетическом состоянии w определяется функцией Ферми- Дирака:
- •5.2 Понятие об электронно-дырочном переходе, типы переходов, токи в p-n-переходе
- •5.3 Прямо смещенный p-n-переход
- •5.4 Вольтамперные характеристики и p-n модель
- •2 Вольтамперная характеристика
- •3. Физические процессы в контактах пп с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы), металл - пп
- •4. Гетеропереходы
- •5. Люминесценция полупроводников
- •6. Фотопроводимость полупроводников
- •7. Эффект Холла
- •5.5 Эффект поля
- •2 Эффекты в структурах мдп
- •3. В идеальных мдп-структурах не учитывалось влияние зарядов в окисле и на границе окисел - кремний
Применение
На основе пленочных материалов созданы запоминающие устройства, накопителей энергии, волноводов с малым затуханием, малогабаритные электрические машины, трансформаторы с высоким КПД.
Созданы сверхпроводящие соленоиды, создающие магнитные поля 8*10А/м.
Возможно создать линии электропередач без потерь на нагрев.
Электромагнит (постоянный) - электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого подвода энергии извне (расходы на охлаждение надо учесть).
Это идеальные диамагнетики, т.е. их магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело, а если переход в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.
Физическая природа сверхпроводимости была понята в 1957 на основе теории (Ландау) сверхтекучести гелия.
Сверхпроводимость это макроскопический эффект. Между электронами металла помимо кулоновского отталкивания, в достаточной степени ослаблено экранирующим действием положительных ионов решетки, в результате электрон-фотонного взаимодействия (взаимодействия электронов с колебаниями решетки) возникает слабое взаимное притяжение и при определенных условиях может преобладать над отталкиванием. В результате электроны проводимости, притягиваясь, образуют своеобразное связанное состояние, называемое куперовской парой. «Размеры» пары много больше (примерно на четыре порядка) среднего межатомного расстояния, т.е. между электронами, «связанными» в пару, находится много «обычных» электронов.
Чтобы разрушить эту пару (оторвать одни из ее электронов) надо затратить энергию, которая пойдет на преодоление сил притяжения электронной пары. Такая энергия может быть в принципе получена в результате взаимодействия с фотонами. Однако пары сопротивляются своему разрушению. Это объясняется тем, что существует не одна пара, а целый ансамбль взаимодействующих друг с другом куперовских пар.
Электроны, входящие в куперовскую пару, имеют противоположные спины., поэтому спин такой пары равен нулю и она представляет собой Бозон.
К бозонам принцип Паули неприменим, и число бозе-частиц, находящихся в одном состоянии, не ограничено.
Поэтому при сверхнизких Т° бозоны скапливаются в основном состоянии, из которого их довольно трудно перевести в возбужденное.
Система бозе-частиц кулоновских пар, обладая устойчивостью относительно возможности отрыва электрона, может действием внешнего электрического поля двигаться без сопротивления со стороны проводника, что и приводит к сверхпроводимости.
Сверхпроводящие кабели. Сигналы электросвязи, распределяющиеся по кабелям связи, сильно ослабляются по амплитуде (затухают), за счет потери энергии в токоведущих проводах и диэлектрике.
Для уменьшения потерь были созданы сверхпроводящие кабели за счет явления сверхпроводимости. При температуре -273°С (если охладить кабель), то его сопротивление будет ничтожно мало, а значит будет минимум потерь. Используют материалы (алюминий, олово, ниобий, свинец, тантал). У меди - сверхпроводимости не наблюдается.
На низких частотах сопротивление мало, но с повышением частоты (до 1 ГГц) сопротивление сверхпроводников возрастает.
По конструкции сверхпроводящие кабели выполняют коаксиальными. Внутренний проводник делают из ниобия, внешний из свинца, а изоляция - из фторопласта. Кабель помещают в трубопровод из нержавеющей стали с теплоизолирующим покрытием. По трубопроводу прокачивают хладагент - жидкий и газообразный азот, водород или гелий, создающий нужную низкую температуру. Для обеспечения прокачки хладагента и низкой температуры через каждые 10 - 20 км сверхпроводящего кабеля устанавливаются криогенные станции. Создаются комбинированные кабели для передачи электропередачи и электросвязи.
Достоинства сверхпроводящих кабелей:
- через кабель не проникают электромагнитные поля, что очень важно с точки зрения защиты линии от внешних помех;
- затухание меньше в 103 раз по сравнению с обычным кабелем на частоте 1 кГц и в 106 раз при 1 МГц и в 104 раз при 1 ГГц, что позволяет организовать связь на большие расстояния без промежуточного усиления.
Недостатки:
через 10 -20 км необходимо размещать криогенные станции, стоимость их высокая.
Эффект Джозефсона (англичанин,1963). Предсказал эффект протекания сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой диэлектрика (пленка оксида металла толщиной ≈1нм) разделяющий два сверхпроводника (контакт Джозефсона). Если ток через этот контакт не превышает некоторое критическое значение, то падения напряжения на нем нет (стационарный эффект), если превышает - возникает падение напряжения и контакт излучает электромагнитные волны (нестационарный эффект). Частота излучения связанна с U на контакте φ = 2еU/h.
Возникновение излучения объясняется тем, что куперовские пары, проходя сквозь контакт, приобретают относительно основного состояния сверхпроводника избыточную энергию.
Возвращаясь в основное состояние, они излучают квант электромагнитной энергии hφ=2eU.
Эффект используется для точного измерения очень слабых магнитных полей (до 10Тл), токов (до 10А) и напряжений (до 10В), а также для создания быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ и усилителей.