3.5. Понятие об эффектах Джозефсона

В 1962 г. Джозефсон предсказал на основе теории сверхпроводимости существование явления, которое было обнаружено экспериментально в 1963 г. и получило название эффекта Джозефсона. Эффект Джозефсона заключается в протекании сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Этот слой называется контактом Джозефсона и обычно представляет собой пленку оксида металла толщиной около 1 нм. Электроны проводимости проходят через диэлектрический слой благодаря туннельному эффекту. Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона.

Если ток через контакт Джозефсона не превышает определенного значения, называемого критическим током контакта, то на контакте отсутствует падение напряжения. Это характерно для стационарного эффекта Джозефсона. Если же через контакт пропускается ток больше критического, то на контакте возникает падение напряжения и контакт излучает электромагнитные волны. В этом случае происходитнестационарный эффект Джозефсона. Частота излучаемых волн равна

 = 2qU/h,(3.5.1)

где U –напряжение на контакте.

Излучение электромагнитных волн возможно только переменным током. Следовательно, через контакт Джозефсона при постоянном падении напряжения протекает переменный ток. В этом состоит физическое своеобразие нестационарною эффекта Джозефсона. Причина излучения состоит в следующем. Объединенные в пары электроны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают дополнительную энергию, равную 2qU. Возвращясь в основное состояние, пара излучает квантh= 2qU.Нестационарный эффект Джозефсона является экспериментальным доказательством существования куперовских пар в сверхпроводниках.

Эффект Джозефсона нашел применение для создания уникальных по точности приборов для измерения малых токов (до 10^-10А), напряжений (до 10^-15В), магнитных полей (до 10^-18Тл).

4. Полупроводники

4.1. Основные сведения о полупроводниках. Классификация полупроводников

К полупроводникам относятся твердые тела с удельным электрическим сопротивлением от 10^-6до 10⁸Ом∙м и шириной запрещенной зоны менее, чем 2÷3 эВ Проводимость полупроводников в сильной степени зависит от структуры вещества, вида и количества примеси, а также от внешних условий: температуры, освещения, облучения частицами высоких энергий и т.д. В полупроводниках, как правило, ток переносится электронами (коллективное движение электронов в валентной зоне описывается с помощью понятия дырок). Количество полупроводников велико. К ним относятся:

1. Простые вещества (элементарные полупроводники): бор B, кремнийSi, фосфорР, сераS, германийGe, мышьякAs, серое олово-Sn, селенSe, теллурTe. Из элементарных полупроводников для создания полупроводниковых приборов используются кремний, германий и селен.

2. Химические соединения:

а) A^IV B^IV– соединение элемента IV группы с другим элементом IV группы (практическое применение имеет карбид кремнияSiC, из него изготовляют светодиоды желтого цвета свечения);

б) A^III B^V- соединения элементов Ш и V групп периодической системы:GaAs, GaР, InSb, и т.д. Наибольшее применение из них имеет арсенид галлияGaAs;

в) A^II B^VI- соединения элементов II и VI групп:CdS, CdSe, CdTe, ZnS(как правило, используются их фоточувствительные или люминесцентные свойства).

Наибольшее применение в настоящее время имеет кремний. Из него изготовляют примерно 95% всех полупроводниковых приборов и микросхем. Так было не всегда. После изобретения транзистора первые полупроводниковые триоды изготовляли из германия. Сейчас германиевая технология уступила позиции кремниевой, и германий стал вторым по значению полупроводниковым материалом. В настоящее время расширяется применение арсенида галлия (GaAs), и можно ожидать, что в ближайшем будущем арсенид галлия станет не менее значимым для практики материалом, чем германий. Кремний, германий, арсенид галлия кристаллизируются в кубических решетках:Si иGe в решетке типа алмаза,GaAs– в решетке типа сфалерита (цинковой обманки). Атомы удерживаются в решетке ковалентными связями, каждый атом имеет такие связи с четырьмя соседними атомами.

Полупроводниковая электроника сейчас настолько широко вошла в нашу жизнь, что трудно понять, почему на полупроводники так долго не обращали должного внимания. Этот класс веществ был известен уже давно, а явление фотопроводимости селена было открыто в 1873 году, т.е. более ста лет назад. Причина такого положения заключалась в отсутствии достаточно чистых полупроводниковых материалов. А если чистота недостаточна, то полупроводники не имеют свойств, необходимых для создания приборов. Осознание необходимости получения сверхчистых веществ пришло значительно позднее. Сейчас для использования в полупроводниковых приборах получают материалы очень высокой степени чистоты. Встречающееся иногда выражение: “Собственный полупроводник - это химически чистый полупроводник" - является не вполне корректным. "Химически чистое вещество" (с точки зрения полупроводниковой технологии) - еще очень грязное вещество. С этого этапа только начинается специфическая физико-химическая очистка. Она заключается в многократной кристаллизации; при кристаллизации большая часть примеси остается в расплаве. После физико-химической очистки достигается так называемая полупроводниковая чистота. Её обычно характеризуют "числом девяток" - пять или шесть девяток. Это значит, что содержание основного вещества составляет 99,999% или 99,9999% (химическая очистка дает не более трех девяток). Помимо требований к чистоте полупроводниковая технология включает и требования к совершенству монокристаллов.