В заключение отметим, что эффекты Джозефсона возникают не только в описанной СДС структуре, но и в других структурах, объединяемых общим понятием «слабосвязанные сверхпроводники».
На рис. 5.17 показаны примеры таких структур, используемых в криоэлектронике.
Различные типы слабосвязанных структур имеют разные параметры (табл. 5.2). Например, структура «мостик» не имеет гистерезиса, что выгодно отличает ее от структуры СДС.
Таблица 5.2
Параметры слабосвязанных сверхпроводниковых структур, изготовленных методами интегральной технологии
Материал элемента слабой |
Структура |
d, нм |
RN, Ом |
Um, мВ |
С, пФ |
|
связи |
||||||
|
|
|
|
|
||
диэлектрик |
«сэндвич» |
1 – 2 |
110 |
1 |
1 |
|
|
|
|
0,1 – |
|
|
|
полупроводник |
- v - |
5 – 50 |
10 |
1 |
0,1 |
|
металл |
- v - |
102 |
10-6 |
10-3 |
10-2 |
|
полуметалл |
«мостик» |
102 |
0,1 – 1 |
0,1 |
10-2 |
|
металл |
- v - |
102 |
0,1 |
0,1 |
10-2 |
|
вырожденный полупроводник |
«планарная» |
10 – 102 |
1 |
1 |
10-2 |
|
узкозонный полупроводник |
- v - |
102 |
1 |
0,5 |
10-3 |
Джозефсоновские переходы находят самое широкое распространение как в аналоговой, так и в цифровой криоэлектронике.
Контрольные вопросы и задания
1.1.Дайте определение подвижности носителей заряда.
1.2.Сформулируйте закон Ома.
1.3.Какие силы действуют на электрон в твердом теле?
1.4.Запишите основное уравнение динамики для электрона.
1.5.Что определяет время релаксации электрона?
1.6.Определите подвижность электрона в металле при Т = 300 К, если λ = 10 нм.
1.7.Определите подвижность электрона в кремнии при Т = 300 К.
1.8.Определите удельную электропроводность германия при Т = 300 К.
2.1.Назовите факторы, ограничивающие подвижность носителей в твердом теле.
129
2.2.Как влияет температура на подвижность вырожденных полупроводников?
2.3.Как влияет температура на подвижность металлов?
2.4.Как влияет температура на подвижность слаболегированных полупроводников?
2.5.Дайте определение электрон-фононного рассеяния.
2.6.Дайте определение электрон-ионного рассеяния.
3.1.Какие факторы влияют на концентрацию носителей в чистом полупроводнике?
3.2.Какие факторы влияют на уровень Ферми в чистых полупроводниках?
3.3.Удельное сопротивление собственного германия при Т = 300 К
составляет 0,45 Ом∙м. Подвижности электронов и дырок соответственно 0,39 и 0,19 м2/(В∙с). Определите собственную концентрацию электронов и дырок.
3.4.Найдите положение уровня Ферми при Т = 300 К для собственного германия.
3.5.На сколько градусов нужно повысить температуру в чистом германии от начальной (300 К), чтобы концентрация носителей возросла вдвое.
3.6.Что называют зоной истощения примеси?
3.7.Найдите положение уровня Ферми при Т = 300 К для кристалла германия, содержащего 5∙1016 см-3 атомов мышьяка.
3.8.Определите концентрацию примеси мышьяка для удвоения концентрации носителей при Т = 300 К.
3.9.Запишите условие действующих масс.
3.10.Когда и где формируются примесные зоны?
4.1.Какие факторы влияют на проводимость собственных полупроводников?
4.2.Дайте определение ширины запрещенной зоны.
4.3.Как можно определить ширину запрещенной зоны?
4.4.Удельное сопротивление собственного германия при Т = 300 К составляет 0,43 Ом·м. Какими путями можно вдвое уменьшить его?
4.5.Определите удельную электропроводность кремния при Т = 300 К,
если Na = 2,3∙1019м-3, Nд = 2,2∙10 19 м-3.
130
4.6. Образец кремния p-типа длиной 5 м, шириной 2 мм, толщиной
1 мм имеет сопротивление 100 Ом. Определите концентрацию примеси, если ni = 2,5∙10 16 м-3, μn = 0,12 м2/(В∙с), μp =
= 0,025 м2/(В∙с).
4.7.Определите отношение электронной проводимости к дырочной по условию предыдущей задачи.
4.8.Объясните поведение графиков на рис. 5.7, б.
4.9.Определите величину ζ0 для задачи 4.4.
5.1.Чем определяется электропроводность металлов?
5.2.Какие факторы определяют электропроводность металлов при низких температурах?
5.3.Поясните смысл графика на рис. 5.7, а.
5.4.Какие факторы определяют проводимость бинарных сплавов?
5.5.Что вызывает отклонение графика на рис. 5.7, б?
6.1.В чем заключается эффект сверхпроводимости?
6.2.Какова природа сверхпроводящего состояния?
6.3.Опишите эффект Мейсснера.
6.4.Как проникает магнитное поле в сверхпроводнике?
6.5.Каков смысл критического поля?
6.6.Каков смысл критического тока?
6.7.Опишите отличие сверхпроводников второго рода.
6.8.Дайте понятие куперовской пары.
6.9.Назовите основные положения теории БКШ.
6.10.Что такое ВТСП?
6.11.Назовите основные особенности ВТСП.
6.12.Какова природа энергетической щели в СП?
7.1.Какие типы тунеллирования возможны при низких температурах?
7.2.Опишите и объясните стационарный эффект Джозефсона.
7.3.Опишите и объясните нестационарный эффект Джозефсона.
7.4.Какова природа излучения Джозефсона?
7.5.Приведите ВАХ джозефсоновского перехода.
7.6.Как влияет магнитное поле на эффект Джозефсона?
7.7.Опишите возможные варианты джозефсоновского контакта.
131