книги / Электротехническое и конструкционное материаловедение
..pdf
ния, т.е. появление бесконечной удельной проводимости материала, было названо сверхпроводимостью. Температуру, при которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние, назы-
вают температурой сверхпроводящего перехода Тс.
Явление сверхпроводимости можно объяснить уменьшением амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки при снижении температуры. Вследствие этого уменьшается вероятность столкновения дрейфующих под действием электрического поля электронов с ионами решетки и величина сопротивления проводника уменьшается.
В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд сделали новое фундаментальное открытие: они обнаружили, что сверхпроводники при переходе из нормального в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками. Поэтому внешнее магнитное поле не может проникать в сверхпроводящее тело (рис. 3.7), что заставляет сверхпроводящее тело висеть над поверхностью магнита (эффект Майснера).
ВВ |
ВВ |
а |
б |
Рис. 3.7. Эффект Майснера: а – охлаждаемый шар из сверхпроводника в нормальном состоянии, помещенный в равномерное магнитное поле
синдукцией В; б – переход материала шара из нормального состояния
всверхпроводящее (магнитное поле выталкивается из шара)
Первоначальные попытки изготовить практически пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженно-
71
стью Н и магнитной индукцией В, закончились неудачей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Тс, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода Вс (в первом приближении, по крайней мере верно для чистых сверхпроводниковых металлов, безразлично, создается ли индукция Вс током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверхпроводника, изображенной на рис. 3.8. Каждому значению температуры Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода Вс. Наибольшая возможная температура перехода Тс0 (критическая температура) соответствует ничтожно малой магнитной индукции, т.е. для сверхпроводникового электромагнита – весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение магнитной индукции перехода
Вс0 (критическая магнитная индукция) соответствует температу-
ре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвин. Заштрихованная область 0PQ на рис. 3.8 соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная область вне кривой PQ – нормальному состоянию материала.
Рис. 3.8. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника
72
Все известные в настоящий момент сверхпроводники можно условно разделить на следующие группы (рис. 3.9):
–низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) с темпера-
турой сверхпроводящего перехода Тс, лежащей в области температур жидкого гелия (4,2 К) – NbTi, Nb3Sn;
–промежуточные сверхпроводники (MgB2, pniktides – со-
всем недавно открытые арсениды железа), Тс которых лежит в области температур жидкого водорода (20 К);
–высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с Тс, ле-
жащей в области температур жидкого азота (77К) – Bi-2223, Bi-2212; ReBCO.
Рис. 3.9. История открытия сверхпроводников и их условное разделение
Высокотемпературные сверхпроводники бывают двух типов (рис. 3.10): ВТСП первого поколения (порошок в трубе) и ВТСП второго поколения (длинномерные пленки).
73
Рис. 3.10. Современные высокотемпературные сверхпроводники:
а – первого поколения Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (Bi-2223) или Bi2Sr2CaCu2Os (Bi-2212) (Tc ~ 90–110 К; Ic = 80...200 A (4 0,4 мм2) при 77 К, B = 0 Тл); б – второго поколения ReBCO – ReBa2Cu3Oy, где Re: Y, Sm, Gd, Dy, Eu (Tc = 92 К; Ic = 80...200 A (4 0,1 мм2) при 77 К, B = 0 Тл)
ВТСП первого поколения сравнительно просты в изготовлении и имеют достаточно высокие критические параметры Тс0 и Вс0. Но в силу ряда технологических требований их матрица (заполнение, в котором размещается сверхпроводящий порошок) должна выполняться только из серебра или его сплавов, причем доля серебра в сечении составляет порядка 50–70 %. Естественно, такой сверхпроводник нельзя сделать достаточно дешевым, например, в сравнении с медью. Стоимость их в удельных единицах составляет примерно 100–150 долл. за
74
1 кА∙м. Поэтому их производство свернуто практически во всем мире в пользу ВТСП второго поколения, которые считаются более перспективными. Однако компания «Сумитомо Электрик» в Японии продолжает производить сверхпроводник первого поколения на основе висмутовой системы Bi-2223, который пока по многим параметрам, в том числе и по цене, превосходит современные ВТСП второго поколения.
ВВТСП второго поколения стоимость материала сравнительно невелика, но технология в настоящее время настолько сложна, что их цена пока в три-пять раз превышает стоимость ВТСП первого поколения. Разумеется, при увеличении масштабов производства стоимость таких проводников должна значительно снизиться и достичь уровня 10–20 долл. за 1 кА∙м, что сравнимо со стоимостью меди.
Внастоящее время единственное коммерчески успешное применение низкотемпературной сверхпроводимости – производство медицинских магнитно-резонансных томографов – сканнеров (МРТ). Первые томографы были созданы в конце 70-х гг. прошлого века в компании Oxford Instrument. Стандартными полями в сверхпроводящих МРТ являются поля с магнитной индукцией В = 1...1,5 Тл, но уже широко начали производиться МРТ
синдукцией поля 3 Тл. Помимо стандартных томографов широкого профиля идут разработки специальных МРТ с магнитными полями до 11 Тл для исследования процессов в человеческом мозге в реальном времени.
Применяются также сверхпроводящие магниты для исследований в биологии методом магнитно-резонансной спектроскопии. В этом случае требуются постоянные, высокооднородные и стабильные магнитные поля с индукцией порядка 20 Тл и выше. Компания «Брукер» (Германия) создала на основе низкотемпературных сверхпроводников рекордный сверхпроводящий магнит (В = 23,3 Тл) для ЯМР-спектрометра. Однако рынок таких устройств невелик.
75
Наиболее впечатляющими достижениями крупномасштабного применения сверхпроводимости являются так называемые мегапроекты. Чаще всего целью мегапроектов являлось создание мощных ускорителей элементарных частиц для физики высоких энергий и детекторов для них. Cамым крупным из них является Большой адронный коллайдер (БАК) в Европейском центре ядерных исследований. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 К.
И, наконец, использование сверхпроводящих низкотемпературных магнитов позволит впервые осуществить управляемую термоядерную реакцию в устройстве типа токамак, при этом потребляемая устройством энергия будет меньше получаемой в результате управляемого термоядерного синтеза. В мире уже было построено несколько токамаков с использованием сверхпроводящих магнитов: первый в мире сверхпроводящий токамак Т-7 в Курчатовском институте и там же токамак Т-15, французский токамак ТорСупра и другие. Они позволили отработать технологии сверхпроводящих катушек для токамаков и привели к организации крупнейшего международного проекта экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, в котором Россия принимает активнейшее участие. В магнитной системе ИТЭР используется около 600 т сверхпроводника Nb3Sn и примерно столько же NbTi.
Следует, однако, отметить, что возможности низкотемпературных сверхпроводников для получения сильных магнитных полей исчерпаны полностью. Дальнейшее увеличение индукции магнитного поля, получаемого с помощью сверхпроводимости, может быть достигнуто только за счет высокотемпературных сверхпроводников, охлажденных до температуры жидкого гелия.
Использование сверхпроводимости в электроэнергетике также является перспективным направлением. Прежде всего речь
76
идет о высокотемпературных сверхпроводящих кабелях, позволяющих в разы увеличить передаваемую мощность (плотность тока в обычных кабелях 1–2 А/мм2, в высокотемпературных сверхпроводящих кабелях она может составлять 50–100 А/мм2) и отказаться от преобразовательных подстанций (не надо повышать напряжение у генератора и понижать у потребителя).
Кроме того активно разрабатываются высокотемпературные сверхпроводниковые устройства, ограничивающие токи короткого замыкания до допустимого уровня (сверхпроводящие ограничители токов).
Разрабатываются также низкотемпературные сверхпроводниковые накопители энергии, позволяющие сглаживать утренние и вечерние максимумы мощности.
На основе эффекта Майснера создано несколько транспортных систем, использующих магнитную левитацию (маглев) для минимизации трения и достижения высоких скоростей. Максимальная скорость маглева была зафиксирована в Японии в 2003 г. и составила 581 км/ч. На начало 2017 г. единственным в мире поездом на магнитной подушке, находящимся в коммерческой эксплуатации, является шанхайский маглев.
77
4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
4.1. Основные свойства и классификация полупроводников
Полупроводники это вещества, основным свойством которых является сильная зависимость их электропроводности от воздействия внешних факторов: светового потока, теплового,
электрического и радиационного полей и т.д.
По величине удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками ( = 10 5 109 Ом м). Но эти границы довольно условны, к тому же полупроводников сильно зависит от внешних факторов. С точки зрения зонной теории твердых тел к полупроводникам относят вещества, имеющие ширину запрещенной зоны W не более 2,5 эВ (см. рис. 1.3).
Все полупроводниковые материалы можно разбить на следующие группы:
1.Элементарные полупроводники: Ge, Si и их твердые рас-
творы, углерод в форме алмаза или графита, серое олово, B, Te, Se. Есть и другие элементы периодической системы (P, S, As, Sb, Bi, I), обладающие полупроводниковыми свойствами. Основными материалами этой группы в полупроводниковом приборостроении являются монокристаллы Ge и Si.
2.Соединения типа АIIIБV элементов III и V групп периодической системы: InAs, GaSb, InP и т.п. Многие из них образуют непрерывный ряд твердых растворов, которые также являются полупроводниковыми материалами (GaxAl1-xAs, GaAs1-xPx, GaIn1-xP и т.п.).
3.Соединения типа АIIБVI и АVI БVI: ZnS, CdS, HgSe, ZnTe,
атакже PbS, SnS, PbTe и т.п. К полупроводникам также относятся твердые растворы этих соединений.
4.Соединения элементов VI группы (O, S, Se, Te) с элемен-
тами I–V групп, а также с переходными и редкоземельными металлами. Многие соединения этого типа обладают ферроили антиферромагнитными свойствами.
78
5.Тройные соединения AIIIБIVГ2V: CdSnAs2, CdGeAs2 и пр.,
атакже твердые растворы на их основе. Часто такие соединения являются ферритами или сегнетоэлектриками.
Кроме перечисленных, к полупроводниковым материалам от-
носятся тугоплавкие оксиды некоторых металлов (Cr2O3, MnO, Fe2O3, CoO, NiO, Cu2O3 и т. п.), халькогенидные (например, As2Se3, As2Te3) и оксидные (типа V2O5-P2O5-ROx, где R – металл I–VI групп) стекла, а также многие органические соединения (например, орга-
нические красители типа фталоцианина меди CmHnNlCu или полимерные соединения типа полиакрилонитрила).
Особенности электрофизических свойств полупроводников обусловили их широкое применение при создании самых различных приборов. Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы имеют следующие преимущества:
1) большой срок службы;
2) малые габариты и массу;
3) простоту и надежность конструкции, большую механическую прочность (не боятся тряски и ударов);
4) отсутствие цепей накала при замене полупроводниковыми приборами электронных ламп, потребление малой мощности и малую инерционность;
5) экономичность при массовом производстве.
4.2. Электропроводность полупроводников
По механизму образования свободных носителей заряда полупроводники можно разделить на собственные и примесные.
4.2.1. Собственные полупроводники
Собственными полупроводниками называют полупровод-
ники, не содержащие примесей.
Рассмотрим механизм образования свободных носителей зарядов в собственном полупроводнике, например в кремнии Si. Атом Si имеет на внешней электронной оболочке четыре валентных электрона. При кристаллизации кремний образует структуру типа алмаза, упрощенная плоская модель которой представлена на рис. 4.1, а.
79
а |
б |
Рис. 4.1. Собственный полупроводник: а – плоская модель кристаллической решетки Si; б – энергетическая зонная диаграмма
Каждый атом Si, находящийся в узле кристаллической решетки, связан парно-электронными ковалентными связями с 4 соседними атомами. При Т 0 К и отсутствии других энергетических воздействий все валентные электроны задействованы в образовании связей и свободные носители зарядов отсутствуют, а полупроводник по величине электропроводности соответствует диэлектрикам.
При температуре, отличной от 0 К, а также при других энергетических воздействиях может произойти разрыв парноэлектронной связи. При этом образуется свободный электрон e в зоне проводимости Wп (рис. 4.1, б) и незавершенная парноэлектронная связь – дырка – в валентной зоне Wв. Энергию, которую необходимо сообщить электрону для разрыва парно-элек- тронной связи, называют энергией активации, которая для собственного полупроводника соответствует ширине запрещенной зоны W (для Si она составляет 1,11 эВ).
При отсутствии внешнего электрического поля свободный электрон и дырка будут совершать хаотическое тепловое движение в пределах кристалла. Происходит это вследствие того, что электрон соседней ковалентной связи за счет энергии тепловых колебаний решетки может заполнить незавершенную ковалентную связь (дырку), в результате чего дырка из положения а перейдет в положение b, затем с, d и т.д. (см. рис. 4.1, а). Следовательно, движение
80