Эффект Мейснера и его применение в современной микроэлектронике

Возникает ситуация, когда  поверхностные токи, часто называемые экранирующими, препятствуют проникновению в образец магнитного потока приложенного поля. Если внутри вещества, находящегося во внешнем поле, магнитный поток равен нулю, то говорят, что он проявляет идеальный диамагнетизм. При снижении плотности приложенного поля до нуля образец остается в своем ненамагниченном состоянии. В другом случае, когда магнитное поле приложено к образцу, находящемуся выше переходной температуры, конечная картина заметно изменится. Для большинства металлов (кроме ферромагнетиков) значение относительной магнитной проницаемости близко к единице. Поэтому плотность магнитного потока внутри образца практически равна плотности потока приложенного поля. Исчезновение электрического сопротивления после охлаждения не оказывает влияния на намагниченность, и распределение магнитного потока не меняется. Если теперь снизить приложенное поле до нуля, то плотность магнитного потока внутри сверхпроводника не может меняться, на поверхности образца возникают незатухающие токи, поддерживающие внутри магнитный поток. В результате образец остается все время намагниченным. Таким образом, намагниченность идеального проводника зависит от последовательности изменения внешних условий.

Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника  можно пояснить  на основе представлений о намагниченности. Если  экранирующие  токи,  полностью компенсирующие внешнее магнитное поле, сообщают образцу магнитный момент  m, то намагниченность M выражается соотношением:

  M = m/V,  где V - объем образца.

Можно  говорить о том, что экранирующие  токи приводят  к  появлению  намагниченности, соответствующей намагниченности идеального  ферромагнетика  с  магнитной  восприимчивостью, равной минус единице.

Таким образом, сверхпроводящий материал в магнитной цепи работает аналогично полупроводниковому прибору с четырехслойной структурой

(динисторы, тиристоры):

- увеличивая магнитное поле выше критического значения, магнитная цепь замыкается,

- уменьшая магнитное поле ниже критического значения, магнитная цепь разрывается.

 Весьма эффектный опыт, демонстрирующий присутствие эффекта Мейснера, представлен на рис.6: постоянный магнит парит над сверхпроводящей чашечкой. Впервые такой опыт осуществил советский физик В. К. Аркадьев в 1945 году.

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Постоянный магнит длиной несколько сантиметров парит на расстоянии чуть больше 1 см над дном сверхпроводящей чашечки, поставленной на три медные ножки. Ножки стоят в жидком гелии, а чашечка находится в парах гелия для поддержания сверхпроводящего состояния.

В сверхпроводнике возникают  выталкивающие магнитное поле токи, их магнитное поле отталкивает постоянный магнит и компенсирует его вес. Существенны и стенки чашечки, которые отталкивают магнит к центру. Над плоским дном положение магнита неустойчиво, от случайных толчков он уйдет в сторону. Такой парящий магнит напоминает легенды о левитации. Наиболее известна легенда о гробе религиозного пророка. Гроб, помещенный в пещеру, парил там в воздухе без всякой видимой поддержки. Сейчас нельзя с уверенностью сказать, основаны ли подобные рассказы на каких-либо реальных явлениях. В настоящее время с помощью эффекта Мейснера технически возможно «осуществить легенду».

Полный эффект Мейснера существует в интервале напряжённостей магнитного поля, не превосходящих критического магнитного поля, при котором происходит полное или частичное разрушение сверхпроводимости. Неполный эффект Мейснера наблюдается как в сверхпроводниках 1-го рода в промежуточном состоянии, когда магнитное поле проникает в образец через области, занятые нормальной фазой, так и в сверхпроводниках 2-го рода в интервале полей от H_к1 до H_к2 (смешанное состояние), когда магнитное поле проникает в сверхпроводник в виде вихрей, несущих квант магнитного потока. (Н – напряженность магнитного поля)

Рис.6. Кривая намагничивания сверхпроводников 1-го рода.  

Рис.7. Кривая намагничивания сверхпроводников 2-го рода.

 

заключение

Т.о. в ходе проведения курсового  исследования было установлено, что  наиболее широко распространены следующие типы p-n-переходов: точечные, сплавные, диффузионные и эпитаксиальные, рассмотрены особенности технологических процессов изготовления этих переходов. Опираясь на исходные данные, была рассчитана ширина p-n-перехода, которая составила: l₀= м. В третьей главе курсового проекта рассмотрено явление в сверхпроводниках, известное как эффект Мейснера и его практическое применение в современной микроэлектронике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение

Обозначения основных величин, принятые в работе

 

E_c   - энергия соответствующая дну запрещённой зоны

E_F                  - фермиевская энергия

E_k   - энергетическая ступень, образующаяся в p–n-переходе

E_max   - максимальная напряжённость электрического поля

E_v   - энергия соответствующая потолку валентной зоны

F_i   - электрическая энергия

F_ip (F_in)  - электростатическая энергия в p (n)-области

j                    - плотность тока

j_g0   - плотность тока термогенерации носителей заряда

j_ngp0 (j_pgp0) - плотность дрейфового тока, текущего через p-n-переход из n-области (p-области) в p-область (n-область)

j_ngup0 (j_pgup0) - плотность диффузионного тока, текущего через p-n-переход из n-области (p-области) в p-область (n-область)

j_z0   - плотность тока рекомбинации носителей заряда

l₀                    - ширина р-n перехода.

l_n0 (l_p0)   - ширина n (p) -области p-n-перехода

L_s                  - дебаевская длина

N      - результирующая концентрация примеси

n (p)   - концентрация электронов (дырок) в полупроводнике

n₀ (p₀)   - равновесная концентрация электронов (дырок) в полупроводнике

N_a (N_d)           - концентрация акцепторной (донорной) примеси.

n_i                   - собственная концентрация носителей заряда

n_n (n_p )            - концентрация электронов в n (р) области

n_no (n_po)          - равновесная концентрация электронов в n (р) области

N_Э (N_Б)           - абсолютная величина результирующей примеси в эмиттере (базе)

P(x)   - распределение плотности объёмного заряда

p_p (p_n)             - концентрация дырок в р (n) области

p_po (p_no)          - равновесная концентрация дырок в р (n) области

p_Э (p_Б)   - плотность объёмного заряда

q, e   - заряд электрона

T   - температура окружающей среды

V_k   - энергия контактного поля

ε                    - напряженность электрического поля

ε   - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника

ε₀   - диэлектрическая постоянная воздуха

μ_n (μ_p)            - подвижность электронов (дырок)

τ_ε    - время диэлектрической релаксации

φ                   - электрический потенциал

φ_k                  - контактная разность потенциалов

φ_T                          - температурный потенциал

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ 
ЛИТЕРАТУРЫ

1. Крайзмер Л. П., Устройства хранения дискретной информации, 2 изд.; Л., 1969.

2.  Седалищев В.Н., Физические основы получения измерительной информации с          использованием генераторных и параметрических первичных преобразователей:

 – Барнаул: АлтГТУ, 2008.;

3. Гранитов Г.И. Физика полупроводников и полупроводниковые приборы. –М.: Сов. радио, 1977;
4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное издание. –М.: Высшая школа, 1991;
5. Электроника. Энциклопедический словарь. –М.: Советская энциклопедия, 1991.
6. Давыдов А.С. Квантовая механика. –М.: Физматгиз, 1963;
7. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3 т. –М.: Наука, 1979. Т.3;
8. Фистуль В.И, Введение в физику полупроводников. –М.: Высшая школа, 1984;
9. Большая советская энциклопедия,  http://dic.academic.ru/contents.nsf/bse/

¹ Антизапирающим называют приконтактный слой, обогащённый свободными носителями заряда.

² Отношение изменения концентрации носителей заряда к расстоянию на котором это изменение происходит называется градиентом концентрации: grad n = dn/dx

³ Диффузионным током называют ток, вызванный тепловым движением электронов.

⁴ Ток, созданный зарядами, движущимися в полупроводнике из-за наличия электрического поля и градиента потенциала называется дрейфовым током.

⁵ Отсутствие вырождения характеризует существенная концентрация носителей заряда собственной электропроводности.