Аналогично теплоте Пельтье происходит дополнительное выделение (поглощение) теплоты при прохождении тока по неоднородно нагретому проводнику. Это явление получило название явления Томсона (1856).

Термоэмиссия. Явление термоэлектронной эмиссии заключается в ис-

пускании электронов нагретыми телами (эмиттерами): металлами или полупроводниками. Электрон может покинуть эмиттер, если его полная энергия превышает работу выхода электрона из эммитера. Вылет электронов приводит к охлаждению эмиттера. Явление термоэмиссии становится интенсивным при

температурах тел более 100 ºС. Термоэлектронные катоды используются во
многих электровакуумных и газоразрядных приборах.	Р
Максимальный термоэлектронный ток, возможный при данной темпера-
	И
туре катода, называется током насыщения. Холодной (автоэлектронной)

эмиссией называется вырывание электронов из металла внешним электриче-

скорости сквозь потенциальный барьер на границеГметаллаУ. Если поверхность металла в вакууме бомбардируется электронами, то наблюдается встречный поток электронов от поверхности – вторичная электронная эмиссия. Помимо

ским полем. Этот эффект может происходить при комнатных температурах,

причем температура металла при этом практически не изменяется. Холодная

эмиссия объясняется туннельным эффектом – прохождением электронов любой

отражения электронов от поверхности, происходитБих вырывание из металла. Внутренний фотоэффект – это явление повышения электропроводно-

сти полупроводника или диэлектри приаего освещении. Электромагнитное излучение вызывает переходы эл тронов внутри полупроводника или диэлек-

трика из связанных состояний веласвободныекбез вылета наружу. Оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного тела. В результате концентрация носителей тока вну ри увеличивается, что приводит к возник-

новению фотопроводим с и.

Вентильный ф т эффе (разновидность внутреннего фотоэффекта) –
				кт
возникновение ЭДС (ф -ЭДС) при освещении контакта двух разных полу-
			то
			и
проводников (р–п-переход) или полупроводника и металла (при отсутствии
внешнего э ектр ческого поля).
	б
ли		л30.10. Полупроводниковые диоды и транзисторы
Б

Ес соединить два электрически нейтральных полупроводника п- и р-типа, то получится полупроводниковый диод. Электроны вблизи контакта из п-области, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-область. Диффузия дырок происходит в обратном направлении. На границе полупроводниковых областей образуется p–n-переход – слой с пониженной электропроводностью: вблизи контакта в п-области накапливается положительный заряд, а

в р-области – отрицательный. Поле Ek запирающего равновесного контактного

слоя будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и дырок, обуславливая диффузионную разность потенциалов.

143

Если диод подключить положительным полюсом батареи к области р-типа, а отрицательным – к области п-типа, как на рис. 30.12, а, то направление

внешнего поля E будет противоположно полю контактного слоя Ek . В резуль-

тате через диод с прямым смещением течет ток (т. н. прямой ток), обусловленный движением основных носителей каждой области. Перемещение электронов и дырок приводит к сужению контактного слоя, потенциальный барьер в переходе понижается с ростом напряжения, приложенного в прямом направлении (U > 0). Сопротивление контактного слоя в результате уменьшится.

В диоде с обратным смещением дырки в р-области притягиваются отрицательным полюсом батареи, а электроны в п-области – положительным по-

люсом батареи, рис. 30.12, б. Электрический ток через n–p-переход, называемый

E

E

И

обратным, будет обусловлен движением неосновных носителей каждой облас-

ти. Контактный слой расширится, его сопротивление возрастет.РПотенциаль-

У

ный барьер в переходе увеличивается с ростом обратного напряжения (U < 0).

k

Гk

п

+

–

р

п

++ – –

р

Б

+

–

++ – –

+

–

++ – –

–

E

+

–

E

а

+

а

б

Рис. 30.12. Схема n–p-перехода, в которомкn- и p-обл сти монокристалла отличаются только типом примеси (гомопереход): а и б –есоотв тственно диод с прямым и обратным смещением

Односторонняя (вентильная) проводимость р–п-перехода используется в диодах, содержащих один р–п-п р ход. По конструкции они делятся на точечные (металлический кон акт и полупроводник касаются в точке) и плоскостные. Диоды с р–п-перех д м могут служить выпрямителями, преобразую-

щими переменный т к в с янный. Большинство линий электропередач ра-
						т
ботает на переменн м т ке, в то время как большинство электронных устройств
требует постоянного					понапряжения. Поэтому диоды используются почти во всех
электронных приборах, в том числе в радиоприемниках и телевизорах.
				и			Рассмотрим приборы, предна-
			л
							значенные для усиления электриче-
		б					ских сигналов,		называемые транзи-
а					б		сторами,	рис.	30.13. Транзисторы
							были изобретены в 1948 г. Дж. Бар-
		. 30.13. Условные обозначения
	Рис		транзисторов:				дином, У.	Братейном и У. Шокли
а – n–p–n-транзистор; б – р–п–р-транзистор							(Нобелевская премии, 1956).
Б

Биполярный транзистор (триод) – это трехслойная полупроводниковая структура с чередующимися слоями р- и п-типа проводимости. Условные обозначения транзисторов п–р–п- и р–п–р-типов представлены на рис. 30.13, а, б. На рис. 30.13 отмечены база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью металлических проводников. Стрелка всегда

144

обозначает эмиттер. Направление стрелки совпадает с направлением тока, условно принимаемым за положительное в нормальном режиме работы.

Для примера рассмотрим триод типа р–п–р, рис. 30.14. Пусть к эмиттерному переходу приложено прямое постоянное напряжение (+ на р-эмиттере), а к коллекторному – обратное напряжение (– на р-коллекторе). Переменный сигнал подается на входное сопротивление Rвх . С сопротивления Rвых в выходной

цепи снимается усиленный сигнал. В нормальном режиме напряжение и на коллекторе, и на базе отрицательно.

Ek

Ek

Высота потенциально барьера в р–п-

р

п

р

переходе в случае прямого напряжения

E

E

E

снижается. Дырки, продиффундировавшие

Rвх

Rвых

–

из эмиттера в базу, становятся там неоснов-

Uвх ~

Эмиттер

Uвых

Коллектор

ными носителями. При тонкой базе боль-

База

+

–

+

–

Р

шинство дырок достигает коллектора: дыр-

Бэ

Бк

ки вблизи n–p-перехода, отделяющего базу

Рис. 30.14. Схема р–п–р-транзистора,

И

используемого в качестве усилителя

от коллектора, захватываются полем, суще-

ствующим внутри переходаУ. Проходя через

Г

Б

коллекторную цепь, они создают напряжение на сопротивлении Rвых .

Коэффициент усиления по току сост вляет несколько десятков, в некото-
	а
рых случаях – несколько сотен. При использов нии гетероструктур, когда р- и
к
п-области принадлежат разным полупроводник м, коэффициент усиления дос-
ет
тигает несколько тысяч. Обычно Rвых >> Rвх , поэтому Uвх << Uвых . Источником

мощности, выделяющейся на выходном сопротивлении, является батарея Бк. Мощность выходного сигнала возрас а т в Rвых Rвх раз.

происходит перемещение электронов. Если напряжение, приложенное к базе, положительно, то элект ны эми ера притягиваются к базе, а затем проходят на коллектор, находящ йся п д положительным напряжением.

Аналогичным образом рабо а и п–р–п-транзистор, где вместо дырок

Создание поиупровродниковых гетероструктур, используемых в высокочастотной и оптоэ ектронике, заложило основы современных информационных технологий. За фундаментальные работы в этой области в 2000 г. были награж-

дены Но елевской премией по физике россиянин Ж. И. Алферов и американец
Г. Кремер.		л
	б
30.11. Сверхпроводимость. Магнитные свойства сверхпроводника
и		(эффект Мейсснера). Эффект Джозефсона.
Б
		Высокотемпературная сверхпроводимость

Известно, что при средних температурах удельное электрическое сопротивление ρ чистых металлов прямо пропорционально их термодинамической температуре. При достаточно низких температурах величина ρ стремится к некоторому пределу, называемому остаточным сопротивлением металла. Чем химически чище металл и чем меньше в нем различных неоднородностей и де-

145

фектов кристаллической решетки, тем меньше его остаточное сопротивление. При охлаждении некоторых металлов и сплавов до достаточно низкой

температуры (область температур жидкого гелия, обычно несколько градусов Кельвина (до 0,01 K для некоторых полупроводников)) их сопротивление скачком падает до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости.

Сверхпроводниками являются химические элементы, переходящие в сверхпроводящее состояние с понижением температуры. Критической температурой Tк называется температура, при которой происходит фазовый переход

из состояния с нормальным электрическим сопротивлением в сверхпроводящее состояние. Отметим, что существуют сверхпроводящие сплавы, компоненты

Г. Камерлинг-Оннесом (1911) при исследовании сопротивленияИРртути при 4,15 K. В 1959 г. был закончен эксперимент, длившийся более двух лет, позво-

которых порознь не являются сверхпроводниками.

Впервые сверхпроводимость была обнаружена голландским ученым

ливший наблюдать явление сверхпроводимости: электрический ток, созданный
Г
в кольце, изготовленном из сверхпроводника, не уменьшался в течение опыта.
Б
При низких температурах у сверхпроводников наблюдаетсяУ	особое со-

стояние вещества – кроме нулевого значения удельного сопротивления, они также обладают особыми магнитными и другими свойствами.

Обнаружено, что в слабом магнитном поле сверхпроводник будет вести себя как идеальный диамагнетик. Как уст новил немецкий физик В. Мейсснер

(1933), в сверхпроводящем состоянии м гнитное поле в толще сверхпроводника
	поле
отсутствует. Это означает, что при охлаждении сверхпроводника ниже крити-
ческой температуры магни ное		киз н го вытесняется (эффект Мейсснера).
т
Магнитное поле проникает в глубь св рхпроводника на расстояние, равное не-

скольким сотням ангстрем. Дос а очно сильное магнитное поле, характеризуе-

сильный электрическийот к, протекающий по сверхпроводнику, разрушает сверхпроводящее сос ян е. Критическое поле зависит от температуры.

мое критическим значением индукции внешнего магнитного поля, так же как и

Сверхпровод мость – это макроскопический квантовый эффект. Теория

сверхпроводимос (1957) была создана американскими физиками Дж. Барди-
	ти
ном, Л. Купером и Д. Шриффером (Нобелевская премия, 1972 г.) и усовершен-
ствована Н. Нол. Бог юбовым. В ее основе заключается положение, что сверх-
б
проводящее состояние представляет собой упорядоченное состояние электро-

ваютсяБв пары. Не происходит рассеяние электронов на тепловых колебаниях ионов. При T > Tк связанные состояния не возникают и сверхпроводящие свой-

нов провод мости металла: электроны, свободные выше температуры перехода
в сверхпроводящееи	состояние, при охлаждении ниже этой температуры связы-

ства не проявляются.

Вклад российских ученых А. Абрикосова и В. Гинзбурга, а также англичанина Э. Леггетта в объяснение сверхпроводимости как феномена квантовой физики был отмечен в 2003 г. Нобелевской премией по физике.

146

На основе теории сверхпроводимости английский физик Б. Джозефсон в 1962 г. предсказал эффект, названный его именем (Нобелевская премия, 1973 г.) и обнаруженный в 1963 г. Эффект Джозефсона заключается в протекании сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой диэлектрика (пленка оксида металла толщиной ~1 нм), разделяющий два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона). Электроны проводимости проходят сквозь диэлектрик благодаря туннельному эффекту.

Если ток через контакт Джозефсона не превышает некоторого критического значения, то падения напряжения на нем нет (стационарный эффект), если превышает – возникает падение напряжения U и контакт излучает элек-

тромагнитные волны (нестационарный эффект). Частота излучения прямо
пропорциональна падению напряжения U на контакте.							И
Эффект Джозефсона используется для точного измерения очень слабых
магнитных полей (до 10	–18	Тл), токов (до 10		–10		У		Р–15		В), а
					А) и напряжений (до 10
также для создания быстродействующих				элементов		логических			устройств
ПЭВМ, усилителей и т. д.					Г
По величине критической				Б					делятся на
			температуры сверхпроводники

классические, у которых Tк < 30 K, и высокотемпературные сверхпроводни-

ки с характерными значениями T ~ 100 K. В 1986–1988 гг. в оксидных соеди-

к а

нениях было обнаружено явление сверхпроводимости. Значения критической к

температуры для оксидных высо отемпер турных проводников существенно выше температуры кипения дешевого и доступного хладагента – жидкого азота (77,3 K). Отметим, что отсутствуют принципиальные теоретические ограниче-

ния на величину Tк (по меньш й мере до Tк ~ 300 K). Существует ряд теоретических моделей для объяснения природы высокотемпературной сверхпроводи-

мости в оксидных выс ко емпера урных проводниках. Сейчас активно изуча-

ются керамические материалы (Bi-2212(La) и т. д.), обладающие сверхпрово-
димостью при температурахтвыше 100 K.
В последн е годы сверхпроводимость интенсивно исследуется с целью
		о
выяснения ее механ зма разработки материалов, обладающих сверхпроводи-
мостью при	ееивысоких температурах, чтобы уменьшить стоимость и раз-
решить про	емы, связанные с необходимостью охлаждения до очень низких
температур.	ол
	В исследовательских группах изучаются туннельные вольт-

амперные характеристики высокотемпературных сверхпроводников. Проводит-
	б
и
Б

ся твердофазный синтез исследуемых материалов и характеризация их тепловых (теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения), магнитных (восприимчивость, намагниченность, магнитострикция) и транспортных (проводимость, подвижность, магнитосопротивление) свойств.

147