supravodljivost i poluvodiči

7/24/2019 Supravodljivost i Poluvodiči

http://slidepdf.com/reader/full/supravodljivost-i-poluvodici 1/22

SUPRAVODLJIVOST

iPOLUVODIČI



Supravodljivost i poluvodiči 1

Sadržaj

1. Poluvodiči...............................................................................................................................................................21.1. Uvod.................................................................................................................................................... ......... ..21.2. Građa silicijeva kristala................................................................................................................. ......... .....21.3. Dopirani poluvodiči....................................................................................................................... .......... .....31.4. Poluvodički uređaji.......................................................................................................................................5

1.4.1. Poluvodička dioda.................................................................................................................................51.4.2. Tranzistor...............................................................................................................................................

2. !upravodljivost.......................................................................................................................................... ......... .."2.1. Uvod.................................................................................................................................................... ......... .."

2.2. Povijesna pozadina........................................................................................................................................"2.3. #snove supravodiča............................................................................................................................. .......112.4. Pri$jena supravodiča.................................................................................................................................1%2.5. &re$enski pre'led do'ađaja vezani( uz supravodljivost...................................................................... .1"

3. )iteratura.............................................................................................................................................................2*




1. POLUVODIČI1.1. Uvod

Sve tvari su sastavljene od atoma. Atom zamišljamo da je sastavljen od pozitivnonabijene jezgre oko koje u eliptičnim putanjama kruže elektroni. Elektroni se slažu u ljuske ili

prstene. Broj ljusaka zavisi o broju elektrona. Tako npr. u putanjama atoma sili!ija "Si# kružiukupno 1$ elektrona i to u prvoj putanji najbližoj jezgri 2 elektrona u drugoj % elektrona a utre&oj vanjskoj $ elektrona. Elektroni vanjske ljuske se nazivaju valentnim elektronima.

Atomi čisti' kruti' tvari se raspore(uju u rešetke kristala. )alentni elektroni odre(ujuoblik rešetke unutar kristala. Susjedni atomi preko kovalentne veze dijele valentne elektrone.*ovalentna veza drži atome rešetke zajedno.

Sposobnost pokretljivosti valentni' elektrona unutar tvari dijeli tvari na izolatore poluvodiče i vodiče. *od izolatora valentni elektroni su čvrsto povezani u rešetku tako da pobuda električnog ili toplinskog polja ne daje dovoljno energije za raskidanje kovalentne veze inji'ovo značajnije pokretanje. +rimjer izolatora predstavlja dijamant koji je ugljik u kristalnomobliku. ,stali dobri često korišteni izolatori su plastične mase i guma.

*od vodiča valentni elektroni su slabo povezani s jezgrom te se na pobudu tvarielektričnim silama kao posljedi!om djelovanja električnog polja slobodno pomiču. +okretljivielektroni se nazivaju vodljivim elektronima. -obri vodiči su metali kao npr. srebro bakaraluminij zlato i platina.

+oluvodičima se nazivaju tvari čija je vodljivost puno ve&a od vodljivosti izolatora " 1/ 0

Sm# a puno manja od vodljivosti vodiča "3 1/4 Sm#. +oluvodiči predstavljaju temeljelektronike i čine osnovnu gra(u dioda tranzistora i ostali' elektronički' elemenata i sklopova.5 početku razvoja elektronike elektronički elementi su se izgra(ivali od poluvodiča germanija.,d početka šezdeseti' godina prošlog stolje&a germanij se postupno zamjenjuje sili!ijem. Sili!ijima bolja toplinska svojstva i predstavlja najrasprostranjeniji kemijski element na zemlji izakisika. -anas se u elektroni!i posebno u mikrovalnoj elektroni!i i 6otoni!i koriste i složeni

poluvodiči npr. galijev arsenid 7aAs. +remda razvojem elektroničke te'nologije primjenasloženi' poluvodiča raste ve&ina suvremeni' elektronički' elemenata i sklopova je izgra(ena natemelju sili!ija.

1.2. Građa silicijeva ris!ala

Sili!ijev atom ima četiri valentna elektrona koji mogu poslužiti za vezanje sa susjednim atomima. )alentni elektroni

atoma sili!ija dijele četiri susjedna atoma sili!ija smještena u

vr'ovima pravilnog tetraedra prikazanog na sli!i "a#.

*onstantaa je udaljenostdvaju susjedni'vr'ova

tetraedra i naziva se konstanta rešetke i za sili!ijiznosi 4.$891/01/ m kod temperature od 8// *.*ovalentne veze izme(u atoma su prikazane!jevastim spojni!ama. 5 ravninskom prikazu rešetkena sli!i "b# valentni elektroni su prikazani !rnim točkama a kovalentne veze izme(u parova




atoma zakrivljenim !rtama. -va elektrona svaki od pojedinog para atoma čine kovalentnielektronski par te tako ostvaruju kovalentnu vezu izme(u sili!ijevi' atoma. ,stali dio atoma jena sli!i "b# prikazan kružni!om s upisanom vrijednoš&u koja označava naboj atoma u odnosu na

naboj elektrona. Tako npr. :$ označava da je naboj četiri puta ve&i od naboja elektrona. Taj nabojodržava ravnotežu naboja atoma.

Sili!ijevu rešetku čini jedinična &elija. ;edinična &elija čini ko!ku duljine strani!a a.;edinična &elija povezuje atome sili!ija raspore(ene u 6ormi četiri pravilna tetraedra na način dase u svakom vr'u i središtu strani!a ko!ke jedinične &elije nalazi po jedan atom.

*od sili!ija gotovo svi valentni elektroni su uključeni u kovalentne veze izme(u atoma tenisu pokretljivi. *od temperature apsolutne nule tj. / * valentni elektroni su nepokretni i sili!ijse ponaša kao izolator. *od temperatura iznad apsolutne nule pojedini valentni elektronizadobiju dovoljno toplinske energije i osloba(aju se kovalentne veze te postaju slobodnielektroni.

*on!entra!ija gusto&a slobodni' elektrona eksponen!ijalno raste s povišenjemtemperature. +od utje!ajem električnog polja elektroni se pokre&u i čine struju elektrona.,slobo(eno mjesto elektrona u kovalentnoj vezi se naziva šupljina. <eki drugi oslobo(enivalentni elektron koji nema dovoljno energije da ostane slobodan može se premjestiti i popunitinastalu šupljinu. -ojam je kao da se šupljina premjestila na pret'odni položaj elektrona. Budu&iatom sa šupljinom ima čisti pozitivni naboj jednak iznosu naboja elektrona premještanješupljine predstavlja gibanje pozitivnog naboja suprotno toku elektrona dakle struju šupljina.5kupna struja u tvari je jednaka zbroju struje slobodni' elektrona i struje šupljina. *ada se nasili!ij primijeni električno polje ukupna struja je mala u odnosu na struju kod vodiča. )odljivostčistog sili!ija iznosi $.84 = 1/0$ Sm. 5 stanju ravnoteže parovi elektron0šupljina se poništavajurekombina!ijom istom brzinom kao što se i stvaraju. Električnim vo(enjem kroz čisti poluvodič

gube se slobodni elektroni i šupljine> slobodni elektroni odlaze prema pozitivnom polu izvora ašupljine prema negativnom polu gdje se rekombiniraju. ?e(utim taj gubitak se neprekidnonadokna(uje jer u kristalu toplinskim pobu(ivanjem nastaju stalno novi slobodni elektroni išupljine. @bog toga poluvodičem teče stalna struja tako dugo dok na njega djeluje stalni izvor.

1.". Do#ira$i #ol%vodi&i

-osad smo razmatrali čiste poluvodiče. <a primjer čisti sili!ijev kristal gra(en je odatoma sili!ija. ?e(utim u praksi nije mogu&e dobiti potpuno čist poluvodič neizbježne su male

primjese neki' drugi' tvari tzv. nečisto&e. @ato pod nazivom čisti poluvodič u stvari podrazumjevamo takav poluvodič u kome su primjese tako male da se praktički moguzanemariti. 5 najčiš&im poluvodičima koji se u praksi mogu proizvesti dolazi oko 1 atom

nečisto&e na 1/1/ atoma poluvodiča. @ato se pokazalo prikladnim da se nečisto&e unose u poluvodič namjerno na kontrolirani način dopiranjem.

-opiranje je postupak kojim se poluvodiču dodajumanje količine trovalentni' "bor galij indij# ili

peterovalentni' "antimon 6os6or arsen# elemenata. Takovidoda!i se nazivaju nečisto&ama te one mijenjaju svojstvačistog intrinsičnog poluvodiča u svojstva nečistogekstrinsičnog poluvodiča. +ostupkom dopiranja pove&avase i točno nadzire vodljivost poluvodiča.

+romjene nastale uvo(enjem trovalentni'

nečisto&a u rešetku čistog poluvodiča prikazuje slika "a#. Atomtrovalentnog elementa ima tri valentna elektrona i tvori samo tri potpune veze. Cetvrta veza je nepotpuna ili radi postojanja šupljine nije ostvarena.

Silicij dopiran fosforom

Slobodni elektroni



Supravodljivost i poluvodiči $

*od dopiranja čistog sili!ijatrovalentnim elementom ve&inske nositelje

naboja čine šupljine a manjinske

elektroni. Budu&i ve&inski nositeljinose pozitivni " p# naboj poluvodičonečiš&en trovalentnim elementom je

poluvodič + tipa ili P+poluvodič.,nečiš&avaju&a tvar se naziva pri'vatiteljem ili

ak!eptorom. Atom ak!eptora ima tri valentna elektrona jedan manje nego sili!ijev atom. *adaak!eptorov atom zauzme mjesto jednog sili!ijevog atoma u rešetki tri valentna elektronaak!eptora tvore kovalentne veze s tri od četiri susjedna atoma sili!ija. ?e(utim u ak!eptorovuatomu nema elektrona koji bi bio partner valentnom elektronu iz četvrtog susjednog sili!ijevaatoma i s njim 6ormirao kovalentni elektronski par. Stoga u tom sili!ijevu atomu ostaje jedannevezani valentni elektron. Taj manjak jednog elektrona u kovalentnoj vezi u kristalu na mjestu

ak!eptorovog atoma prisutan je u kristalu od početka od ugra(ivanja atoma ak!eptora u kristal."To je drukčija situa!ija nego u čistom poluvodiču gdje vlastita šupljina nije prisutna od početkave& tu i tamo nastaje toplinskim pobu(ivanjem.# ,va ak!eptorska šupljina nije slobodna ve& jevrlo slabo vezana za svoj atom. @bog toga je potrebna tek vrlo mala energija da elektron iz nekekovalentne veze me(u susjednim sili!ijevim atomima uskoči u tu šupljinu tada ion ak!eptorakompletira svoje $ kovalentne veze sa susjednim atomima. +opunjavanjem šupljine na mjestuatoma ak!eptora šupjlina se Dpomakla na pozi!iju sili!ijeva atoma odakle je elektron skočio uak!eptorsku šupljinu. To je sad slobodna šupljina koja može služiti za električno vo(enje sličnokao šupljine u čistom poluvodiču. Svaki atom ak!eptora daje u kristalu +0poluvodiča jednuak!eptorsku šupljinu. -akle vo(enje struje kroz +0poluvodič ostvaruje se uglavnom pomo&ušupljina. )odljivost +0poluvodiča je dakle uglavnom +0vodljivost.

7ra(a rešetke u okolišu peterovalentnog atoma prikazana je na sli!i. 5 rešetki postoječetiri potpune veze atoma peterovalentnog elementa s atomima sili!ija dok jedan elektron ostajeslobodan. Slobodni elektroni postaju ve&inski nositelji i to negativnog "n# naboja te je poluvodičonečiš&en peterovalentnim elementom poluvodič < tipa ili ,+poluvodič. ,nečiš&avaju&a tvar senaziva davateljem ili donorom. *od n tipa poluvodiča manjinske nositelje predstavljaju šupljine.Atom donora ostaje sa četiri elektrona tj. s manjkom od jednog pozitivnog naboja. @nači da on

postaje pozitivan ion. Taj pozitivan ion ne može se gibati kroz kristal jer je čvrsto vezan nasvojoj pozi!iji u kristalnoj rešetki. @ato on ne može služiti za vo(enje električne struje. Fsto takone može se gibati niti pozitivna šupljina uz donorov ion jer on ima upravo $ valentna elektronakoja su mu potrebna za $ kovalentne veze. @bog toga on ne&e zgrabiti elektron nekog susjeda pa

ta šupljina ostaje lokalizirana. -akle gusto&a slobodni' elektrona u <0poluvodiču može seregulirati kon!entra!ijom primjese atoma donora.

)o(enje struje kroz <0poluvodič postiže se najve&im dijelom pomo&u slobodni'elektrona donora. )odljivost <0poluvodiča je vrlo velikim dijelom <0vodljivost.

+oluvodiči p i n tipa predstavljaju osnovu gra(e pn spoja koji nastaje spajanjem poluvodiča p i n tipa u jedinstveni kristal. +ostoji niz načina izvedbe pn spoja. ;edinstveni pnspoj s odgovaraju&im kontaktima za povezivanje spoja s vanjskim krugom naziva se

poluvodičkom "pn# spojnom diodom.

1.'. Pol%vodi&i %ređaji

1.'.1. Pol%vodi&a dioda+oluvodičku spojnu diodu čini pn spoj sa stezaljkama za priključak na vanjski strujni

krug. Slika "a# prikazuje dva dijela poluvodičkog kristala sastavljena od poluvodiča n i p tipa. @a priključak elementa u vanjski strujni krug p i n tip poluvodiča na jednom kraju imaju metalni




kontakt omski kontakt. +oluvodiči su električki neutralni. <a sli!i "b# poluvodiči p i n tipa su povezani u spoj i tvore jedinstveni kristal.

pn spoj -ez djelovanja prednapona +romatra se

ponašanje kristala u okolišu pn spoja neposredno nakon spajanja pi n područja. Budu&i je u p području kon!entra!ija šupljina vrlovisoka u blizini spoja dolazi do nji'ovog di6uznog širenja preko spoja ispajanja sa slobodnim elektronima n područja. Spajanjem se

poništava naboj odre(enog broja elektrona u blizini spoja iotkrivaju vezani pozitivni naboji n područja. Slično tome odre(eni

broj elektrona iz n područja postupkom di6uzije se širi u p područje i u blizini spoja se poništava sa šupljinama te otkriva vezane negativne naboje. 5kupna struja širenja"di6uzije# jednaka je zbroju struje šupljina i struje elektrona i usmjerena je od strane n područja

prema strani p područja. *ako ve&inski nositelji naboja di6undiraju preko spoja i otkrivaju sveviše i više vezani' naboja u okolišu spoja razvija se područje osiromašenog broja ve&inski'

nositelja. +odručje se naziva osiromašenim područjem. Gadi uspostavljanja razlike naboja prekospoja u osiromašenom području postoji električno polje i poten!ijal U /. <apon nazvankontaktnim poten!ijalom ili naponom barijere djeluje tako da smanji di6uziju ve&inski'nositelja.

<apon barijere ima suprotan učinak na manjinske nositelje. Električno polje uosiromašenom području usmjerava manjinske nositelje koje u n području čine šupljine u p

područje. Slično tome manjinski nositelji p područja "elektroni# su usmjeravani u n područje.@broj struja manjinski' nositelja daje struju posmaka "dri6ta# koja je usmjerena od n područja

prema p području kristala. Struje posmaka i širenja su suprotnog smjera i u ravnoteži jednakogiznosa. ;ednakost iznosa struje posmaka i širenja je posljedi!a nezatvorenosti strujnog kruga tj.

ne postoji vanjski put kojim bi tekla struja.5 slučaju toplinske ravnoteže i kada postoje vanjski vodiči sve dok nema vanjskog izvorane postoji tok struje izvan kristala. *ada bi postojala struja bi zagrijavala vodiče vanjskog krugai kristal bi morao davati potrebnu energiju što bi dovelo do njegovog 'la(enja. Fstovremenozagrijavanje vodiča vanjskog kruga i 'la(enje kristala nije mogu&e u uvjetima toplinskeravnoteže te iznos struje mora biti jednak nuli. Fz jednadžbe *ir!'o660ovog zakona za naponzaključuje se da struja ne teče jer se dodirni poten!ijal spoja izjednačuje s dodirnim

poten!ijalom omski' kontakata. +osljedi!a toga je postojanje stanja praznog 'oda bez naponaizme(u omski' kontakata kristala kao i nemogu&nost mjerenja napona barijere niti idealnimvoltmetrom.



Supravodljivost i poluvodiči

pn spoj pod djelovanje$prednapona Ako se na kristal dovedevanjski napon ud često puta nazivan

prednaponom tako da p područje bude pozitivnije od n područja spoj je propusno polariziran. +remda mala slovaoznačavaju ukupne vrijednosti "istosmjernei vremenski promjenljive komponente# napona i struje uopisu ponašanja diode označavat &e samo istosmjerne vrijednosti. 5tom slučaju kao što je prikazano na sli!i "a# napon

barijere se smanjuje za dovedeni napon ud . Gezultat toga je usmjereno kretanje di6uzione strujeve&inski' nositelja "šupljina od p u n područje i elektrona iz n u p područje#. Fntenzitet struje se

pojačava eksponen!ijalno s naponom ud i ima značajnu vrijednost i kada je ud neznatno iznad /.) za sili!ij. 5 slučaju kada je vanjski napon suprotno polariziran slika "b# napon barijere se

podiže struja ve&inski' nositelja naglo "eksponen!ijalno# postaje neznatna i vode&u struju činemanjinski nositelji "elektroni koji se kre&u od p u n područje i šupljine iz n u p područje#. Tastruja posmaka brzo dolazi u zasi&enje "postaje stalna# kod niske razine napona budu&i semanjinski nositelji proizvode toplinskim pokretanjem i kod uobičajeni' radni' temperatura senalaze u malom broju. Slaba struja koja teče se naziva reverznom strujom zasičenja I / a za pnspoj koji je uzrokuje kaže se da je nepropusno polariziran.

*ad je +<0spoj uključen u strujni krug u propusnom smjeru on predstavlja mali otpor budu&i da ima mnogo slobodni' nosila!a struje. A kad je uključen u nepropusnom smjeru on predstavlja vrlo velik otpor.

+oluvodička dioda sastoji se od jednog +<0spoja. @nači da se svojstva poluvodičke diodeodre(ena svojstvima +<0spoja. <o od velike važnosti su i poluvodički ure(aji koji sadrže više+<0spojeva. <a primjer tranzistor je poluvodički ure(aj sa 2 +<0spoja a tristor sa 8.

Poluvodička dioda kao solarna /elija.

+oluvodička dioda omogu&uje direktnu pretvorbu elektromagnetskog zračenja uelektričnu energiju. Spe!ijalna poluvodička dioda prilago(ena toj svrsi naziva se solarna /elija.Elektromagnetsko zračenje upada na <0poluvodič koji je izvanredno tanak tako da zračenje

prodire do zapornog sloja. Tamo elektroni vezani u kovalnetnim vezama apsorbiraju 6otoneelektromagnetskog zračenja i osloba(aju se kovalentne veze ali ostaju u kristalu. <a taj način uzapornom sloju nastaju slobodni elektroni i šupljine. Tada pod utje!ajem kontaktnog električnog

polja dolazi do razdvajanja ti' slobodni' naboja> slobodni elektroni gibaju se u <0poluvodič ašupljine u +0poluvodič. <a taj način <0poluvodič postaje negativno a +0poluvodič pozitivnonabijen. Fzme(u metalni' priključaka na +0poluvodič nastaje električni napon. Hto je intenzitetupadnoga elektromagnetskog zračenja ve&i taj napon je ve&i.

Solarne &elije u prin!ipu pružaju mogu&nosti dobivanja velike količine relativno čisteenergije pretvaranjem energije sunčeva zračenja u električnu energiju.

!vijetle/a dioda.

+ri rekombina!iji elektrona i šupljineu sili!ijevu poluvodiču energija se osloba(a u

obliku toplinske energije. ?e(utim u nekim poluvodičima "kao što su na primjer galijevarsenid# ta se energija osloba(a u obliku elektromagnetskog zračenja.-akle poluvodička dioda napravljena od takvog



Supravodljivost i poluvodiči I

materijala emitira elektromagnetsko zračenje kad kroz nju prolazi struja u propusnom smjeru.Takve poluvodičke diode nazivaju se svjetle&e diode i široko se primjenjuju u elektroni!i.

Taj se e6ekt tako(er koristi kod jednog vrlo važnog tipa lasera tzv. poluvodičkog lasera.

1.'.2. Tra$(is!orTranzistor se sastoji od tri sloja poluvodičkog materijala razmještena u rasporedu <+<

ili +<+. 5 ,P,+tranzistoru +0poluvodič je u Dsendviču izme(u dva <0poluvodiča> u P,P+tranzistoru <0poluvodič je pak u Dsendviču izme(u dva +0poluvodiča.

Tri sloja tranzistora nazivaju se redom emiter baza i kolektor. Svaki sloj ima svoj priključak. +riključak na emiter obilježavamo slovom E na bazu slovoB i na kolektor slovom * "a često i J#.

0olektorski i -azni strujni kru'ovi u ,P,+tranzistoru. Strujni krug koji se dobiva priključivanjem emitera <+< tranzistora na negativni a kolektora na pozitivni pol izvora naziva

se kolektorski krug.Ako je tranzistor uključen samo u kolektorski krug struja ne teče.

Taj rezultat možemo iskazati ovako> tranzistor posjeduje tako velik električni otpor dastruja njime praktički ne teče. 5 kolektorskom krugu tranzistor djeluje kao neki otpornik vrlovelikog električnog otpora tj. kao izolator.

?e(utim situa!ija se bitno mijenja ako se baza priključi na pozitivni pol nekog drugog pomo&nog izvora a negativni se pol tog izvora spoji s emiterom. Tada se dobiva dodatni strujnikrug koji uključuje bazu pomo&ni izvor i kolektor taj krug naziva se bazni krug.

*ad je na taj način tranzistor istodobno spojen u dva kruga i u bazni i u kolektorski tadastruja teče u oba kruga. +ritom je struja u kolektorskom krugu "tzv. kolektorska struja#mnogo

jača od struje u baznom krugu "tzv. bazne struje#. -akle> kada baznim krugom teče struja " I b#tada kolektorskim krugom teče mnogo jača struja " I k #.

*olektorska struja je stotinjak ili više puta jača od bazne. ,čito je da bazna struja djelujena tranzistor tako da znatno smanjuje njegov otpor u kolektorskom krugu. Bazna struja je poputnekog Dkatalizatora> ona omogu&uje da kolektorskim krugom poteče jaka struja. -akle>tranzistor djeluje kao promjenjivi električni otpornik čiji se otpor može vrlo e6ikasno regulirati

pomo&u bazne struje. +omo&u bazne struje male jakosti može se mnogostruko smanjiti unutrašnjiotpor tranzistora.

Tranzistor kao pojačalo.

@a'valjuju&i svojstvu da promjena jakosti slabe bazne struje uzrokuje propor!ionalnu

promjenu mnogo jače kolektorske struje tranzistor se upotrebljava kao pojačalo. Električnisignal koji treba pojačati uključuje se u bazni krug a u kolektorskom se krugu dobiva znatno

pojačani signal.

Tranzistor kao sklopka.

!klopka kao otpornik s dvije vrijednosti otpora. *ada se zatvoreni strujni krug prekine isključivanjem me'aničke sklopke u tom trenutku prestaje tok struje. To znači dasklopku možemo usporediti s električnim otpornikom> kada je sklopka otvorena rezultat je istikao da je umjesto nje u strujni krug uključen otpornik vrlo velikog električnog otpora re!imove&eg od 1 ?Ω. *ada je sklopka zatvorena rezultat je isti kao da je umjesto nje u strujni kruguključen otpornik malog otpora manjeg od 1 Ω.

-akle sklopku možemo usporediti s otpornikom koji može poprimiti dvije vrijednosti>vrlo veliku "u tom slučaju odgovara isključenoj sklopki# ili vrlo malu "u tom slučaju odgovarauključenoj sklopki#.

Neki od poluvodičkih uređaja: mikročip (gore), tranzistor

(dolje lijevo) i svijetlea dioda (dolje desno)



Supravodljivost i poluvodiči %

@atvaranje sklopke odgovara naglom smanjenju vrijednosti otpora s vrlo velikevrijednosti 31 ?Ω na vrlo malu 31 Ω.

,tvaranje sklopke odgovara pove&anju otpora s vrlo male vrijednosti 31 Ω na vrlo

veliku 1 ?Ω.Tranzistorska sklopka. @namo da se pomo&u bazne struje unutrašnji otpor tranzistora

može smanjiti s vrlo velike na vrlo malu vrijednost. To znači da se tranzistor može upotrijebitikao sklopka.

Tranzistorska sklopka ima bitne prednosti u odnosu na me'aničku. ?nogo je manja inema pokretni' dijelova. F što je naročito važno brzina prekidanja za tranzistorsku sklopkumnogo je manja iznosi oko 1/0K s dok za me'aničku sklopku u najboljem slučaju iznosi tek oko 1/08 s.



Supravodljivost i poluvodiči K

2. SUPRAVODLJIVOST2.1. Uvod

Supravodljivost je 6as!inantno i izazovno područje 6izike. @nanstveni!i i inženjeri diljemsvijeta godinama su nastojali objasniti i razviti ovaj izvrstan 6enomen. )e& skoro %/ godinasupravodljivost je bila relativno nejasna pojava. -anas je supravodljivost primjenjena na mnogaraznolika područja kao što su> medi!ina teoretske i eksperimentalne znanosti vojska transport

proizvodnja struje elektronika i dr. Sa otkri&em visokotemperaturni' supravodiča koji moguraditi na temperaturi teku&eg dušika "II*# supravodljivost je sada postala dostupnija irazumljivija. S ovim novim poljem 6izike otvorile su se nove i uzbudljive mogu&nosti zaistraživanje i eksperimentiranje.

2.2. Povijes$a #o(adi$a-o ve&i' napredaka u 'la(enju na vrlo niske temperature je došlo

krajem 1K. stolje&a. <izozemski 6izičar otkrio je supravodljivost 1K11.godine. ,nnes je svoju znanstvenu karijeru posvetio istraživanju vrloekstremni' ras'la(ivanja. 1/. Srpnja 1K/% uspješno je kondenzirao 'elij'lade&i ga na $*. Tog dana ,nnes je proizveo samo nekoliko mililitarateku&eg 'elija ali to je bio nov početak novi' istraživanja na prijenedostupnim temperaturama. Teku&i 'elij mu je omogu&io 'la(enje drugi'materijala na temperature blizu apsolutne nule "/ *# najniže mogu&etemperature. Apsolutna nula je temperatura na kojoj energija tvari

postaje najmanja mogu&a.1K11. ,nnes je počeo istraživati električna svojstva metala na vrlo niskim temperaturama.

)e& je godinama bilo poznato da električni otpor metala opada kada se 'lade ispod sobnetemperature ali nije bilo poznato koja je granična vrijednost koju bi otpor postigao ako bi setemperatura približila apsolutnoj nuli. <eki su znanstveni!i poput Lilliama *elvina vjerovalida bi elektroni koji teku vodičem postali potpuno tromi kako bi se temperatura približavalaapsolutnoj nuli. -rugi pak znanstveni!i uključuju&i i ,nnesa smatrali su da bi otpor ras'la(eneži!e nestao. +rema toj teoriji pretpostavljalo se da postoji nagao pad

električnog otpora što omogu&uje bolju provodljivost struje.

,nnes je propustio struju kroz vodič od vrlo čiste

žive te mjerio njen otpor dok je jednolično spuštaotemperaturu. <a njegovo veliko iznena(enje nije došlo doDlevelling o66 otpora niti su elektroni potpuno stali kao što

je predvi(ao L. *elvin. M?u!' to 'is surprise t'ere Nas no levelingo66 o6 resistan!e let alone t'e stopping o6 ele!trons as suggested bO*elvin.P <a $.2 * otpor je iznenada nestao. Struja je teklakroz živin vodič bez da ju je išta sputavalo te je otpor bio

jednak nuli. <a sli!i vidimo gra6 kojim je prikazano ponašanje otpora u živinom vodiču pri spuštanju temperaturekako ga je izmjerio ,nnes. ,nnes>Qiva je prešla u novostanje koje se na račun svoji' izuzetni' električni' svojstava

može zvati supravodljivo stanje. +okus nije ostavio

!eike "ammerlingh #nnes

#tpor ( )




tipom supravodiča. 5 veljači 1K%I. godine otkriveni su perovskiti1 keramički materijali koji postaju supravodljivi na temperaturi od K/ *. To otkri&e je bilo vrlo značajno jer je tad postalomogu&e koristiti teku&i dušik kao ras'la(ivač. @bog značajno više temperature na kojima su ti

materijali postajali supravodljivi svrstavaju se u tzv. visokotemperaturne supravodiče. ,d tadaznanstveni!i eksperimentiraju sa mnogo različiti' oblika perovskita sintetiziraju&i spojeve koji postaju supravodljivi na temperaturama od preko 18/ *. Trenutno mnoge vlade korpora!ije isveučilišta ulažu velike svote nov!a za istraživanje visokotemperaturni' supravodiča. Rako&aras'la(ivanja novi' supravodiča je mnogo utje!ala na goleme napore u razvoju novi' materijalanji'ovoj proizvodnji i mijenjanju teorije o ponašanju supravodiča na relativno visokimtemperaturama.

@a očekivati je da primjena visokotemperaturni' supravodiča postane praktičnomza'valjuju&i pove&anoj pouzdanosti strojeva i smanjenim troškovima 'la(enja takvi' ure(aja natemperature ve&e od 2/ *. +ovijest supravodiča je tek započeta.

2.". Os$ove s%#ravodi&aTeorija supravodljivosti jako je kompli!irana i zamršena te stoga i teško razumljiva.

+okušati objasniti kvantnu me'aniku supravodiča je daleko izvan okvira ove maturalne radnje.Fpak u ovom dijelu &e se objašnjavati uvjeti i 6enomeni supravodljivosti.

Supravodiči imaju sposobnost provo(enja elektri!iteta bez gubitka energije. *ada strujateče običnim vodičem na primjer bakrenom ži!om mali dio energije se gubi. 5 žarulji ilielektričnom grijaču električni otpor stvara svjetlo i toplinu. 5 metalima kao što su bakar ialuminij elektri!itet se provodi tako što se elektroni iz vanjske energetske razine kre&u

pojedinačno od jednog do drugog atoma. Ti atomi 6ormirajutitraju&u rešetku unutar metalnog vodiča što je metal topliji

rešetka više titra. *ako se elektroni gibaju kroz vodič sudaraju sesa sitnim nečisto&ama i nepravilnostima unutar rešetke. *ada elektroni udare u takovezapreke oni se odbiju u različitimsmjerovima te gube energiju u oblikutopline. Slika prikazuje atome poredane u kristalnojrešet!i i gibaju&e elektrone koji se odbijaju o atomekoji im se na(u na putu.

+onašanje elektrona unutar supravodiča je uvelikedrugačije. Tu su još uvijek nečisto&e i rešetka ali kretanjesupravodljivi' elektrona kroz zapreke je prilično drugačije. 7ibaju&i se kroz vodič supravodljivi

elektroni slobodno prolaze kroz kompleksnu rešetku. @bog toga što se ni s ničim ne sudaraju išto ne stvaraju nikakvo trenje mogu prenositi elektri!itet bez zamjetljivog gubitka struje i bezgubitka energije.

Sposobnost elektrona da se nepriječeno kre&u supravodljivim materijalom godinama jezbunjivalo znanstvenike. Hto je tvar toplija to više titra. ,brnuto što je tvar 'ladnija to manjetitra. +rvi istraživači smatrali su da bi manji broj titraja atoma omogu&io elektronima da se lakšegibaju. To pretkazuje polagano smanjenje otpora s temperaturom. 5skoro je postalo jasno da te

jednostavne ideje ne mogu objasniti supravodljivost te da je ona mnogo složenija od toga.

S'va&anje supravodljivosti uznapredovalo je 1K4I. postavljanjem BJS teorije. BJSteorija objašnjava supravodljivost na temperaturama blizu apsolutne nule. Reon Jooper je

zaključio da je titranje rešetke atoma direktno odgovorno za stapanje !ijele struje. ,no je prisililo1 Perovskiti> )elika skupina kristalni' keramika čije ime potječe od minerala znanog kao perovskit. To su najobilniji minerali na zemlji te imajuomjer metala i kisika otprilike 2>8. Bakar0oksidni supravodiči su slojeviti perovskiti. "+erovskiti su dobili ime po ruskom mineralogu Jount RevAleksevi!' von +erovskom.#

*le+ -ller i .eorg &ednorz

Normalno stanje

*tomi u

re/etci

0lektroni




atome da se uparuju u skupine koje mogu prevladati sve zapreke koje su uzrokovale otpor uvodiču. Takve skupine elektrona nazivaju se Jooperovim parovima. R. Jooper i njegove kolegesu znali da elektroni koji se inače me(usobno odbijaju moraju osjetiti nadmo&no privlačenje u

supravodičima. ,dgovor na ovaj problem je prona(en u 6ononima paketi&ima zvučni' valova prisutni' u titraju&oj rešet!i. 5loga titranja rešetke kao moderatora je neupitna iako ono niječujno.

+rema teoriji kad jedan negativno nabijen elektron pro(e pored pozitivno nabijeni' ionau rešet!i supravodiča rešetka se poremeti. To uzrokuje emitiranje 6onona što 6ormira žlijeb

pozitivnog naboja oko elektrona. Slika "desno# prikazuje val de6orma!ije rešetke zbog privlačenja prolaze&eg elektrona. +rije nego što elektron pro(e i prije nego što se rešetka vrati usvoj normalan položaj drugi elektron je povučen u žlijeb. 5 ovom pro!esu dva elektrona koji bise trebali me(usobno odbijati se spoje. Sile kojim suutje!ali 6ononi nadvladale su prirodno odbijanje elektrona.Elektronski parovi su povezani jedni sa drugim dok

skladno prolaze vodičem. Elektroni su zaklonjeni6ononima te se nakon neke udaljenosti razdvajaju. *ada

jedan od elektrona što tvori Jooperov par i što pro(e pored iona u kristalnoj rešet!i privlačenje izme(unegativnog elektrona i pozitivnog iona uzrokuje datitranje prelazi sa jednog na drugi ion sve dok drugielektron ne apsorbira titranje. To je tzv. e6ekt mreže jedanelektron uzrokuje emitiranje 6onona a drugi gaapsorbira. Ta razmjena drži Jooperove parove zajedno.)ažno je razumjeti da se parovi konstantnorazdvajaju te nanovo spajaju. @bog toga što suelektroni potpuno jednake česti!e lakše i' jezamisliti kao trajno uparene.

+ostavljaju&i se u parove dva po dvaelektroni lakše prolaze kroz supravodič. Elektronmožemo zamisliti kao automobil koji juriauto!estom. ;ure&i automobil sječe zrak pred sobom te iza sebestvara vakuum prazninu u atmos6eri koja se brzo popunjava nasrnulimzrakom. Automobil koji bi se nalazio iza vode&eg bio bi povučen zajedno sa zrakom unutar nastalog vakuuma. )ode&i automobil ustvari privlači ovog iza sebe. *ada negativno nabijenielektroni pro(u kroz kristalnu rešetku oni povuku okolne pozitivne jezgre iona za sobom. *ako

se poreme&ena rešetka vra&a u svoj prvotni položaj drugi elektron koji prolazi u blizini biti &e privučen pozitivnim nabojem rešetkena sličan način kao što je automobil povučenautomobilom ispred sebe.

Supravodljivo stanje


"ako negativno nabijen elektron prolazi između

pozitivno nabijenih atoma metala, atomi se

privuku prema elektronu1$o deformiranje

re/etke stvara područje poveanog pozitivnog

naboja koje pak privlači drugi elektron unutar

tog tog područja

2va elektrona, koja zajedno čine ooperov par,

gibaju se kroz kristalnu re/etku

3odručje poremeaja

ooperovi parovi




Elektroni u supravodljivom stanju su poput kolone jure&i' automobila. +odručjavakuuma me(u automobilima drže i' sve zajedno u ure(enom redu.

BJS teorija uspješno prikazuje da se elektroni mogu me(usobno privlačiti pomo&u

interak!ije sa kristalnom rešetkom. To se doga(a unatoč činjeni!i da elektroni imaju isti naboj.*ada atomi rešetke os!iliraju kao pozitivna i negativna područja elektronski par se naizmjen!e privlači i razdvaja bez sudara. 5parivanje elektrona je povoljno jer kao e6ekt ima prijelaz tvari uniži energetski nivo. *ada su elektroni povezani u par kroz supravodič se kre&u na sre(en način.Sve dok se supravodič 'ladi na vrlo niske temperature Jooperovi parovi ostaju čitavi uslijedsmanjenog gibanja molekula. *ada supravodič primitoplinu titranja unutar rešetke postaju jača te seelektronski parovi raskidaju. *ako se parovi raskidajutako svojstvo supravodljivosti slabi. Supravodljivimetali i slitine imaju karakterističnu prijelaznutemperaturu pri kojoj iz obični' vodiča prelaze u

supravodiče to je tzv. kritična te$peratura "$ c#. Fspodsupravodičke prelazne temperature električni otpor materijala je jednak nuli. Supravodiči dobiveni odrazličiti' materijala imaju različite kritične temperature.?e(u keramičkim supravodičima vrijednost T c zaBa2Ju8,I iznosi oko K/ * dok za UgBa2Ja22Ju8/%:9

iznosi čak 188 *. Slika "desno# prikazuje GT gra6 zaBa2Ju8,I. Ba2Ju8,I je prvi na(eni materijal koji jesupravodljiv na temperaturi iznad temperature teku&egdušika. ,n pokazuje vrlo zanimljiv i kompleksan odnoskristalne strukture kemijski' i 6izički' svojstava.

Spomenuti visokotemperaturni supravodiči pripadaju grupi perovskita koji su pak mješavina metalni' oksida koji pokazuju me'anička i 6izička svojstva keramike. )e&inakeramički' materijala se smatra dobrim izolatorima. BJ, spojevi vrlo su osjetljivi na količinukisika te se mogu ovisno o njegovoj količini mijenjati iz poluvodiča "Ba2Ju8#%.5 # usupravodiče "Ba2Ju8## bez gubljenja kristalne strukture.

*ako prilikom vo(enja struje supravodičem nemagubitka električne energije za vo(enje jake struje mogu sekoristiti relativno tanke ži!e od supravodljivi' materijala. <oipak postoji izvjesna grani!a jakosti struje koju takvisupravodiči mogu voditi iznad koje prestaju biti

supravodljivi. Ako se kroz supravodič propusti prejakastruja on &e se vratiti u svoje normalno stanje iako jetemperatura ispod njegove kritične. )rijednost kritičnestruje " 4 c# ovisi o temperaturi što je temperatura nižasupravodič je sposoban voditi jaču struju. Slika "desno#

prikazuje 5F gra6 za supravodljivu ži!u.

@a praktičnu uporabu pre6erira se vrijednost I c od1/// ampera na svaki kvadratni milimetar "Amm2#.

Električna struja unutar ži!e tvori magnetsko poljeoko ži!e. ;akost magnetskog polja raste s jakoš&u struje u

vodiču. @bog toga što supravodiči mogu voditi jake struje bez gubitka energije pogodni su zadobivanje jaki' elektromagneta. S porastom jakosti magnetskog polja u kojem se nalazisupravodljivo tijelo raste i jakost kružni' struja koje poništavaju magnetski tok kroz tijelo. Ako

$emperatura (")

#tpor ( )

"ritična struja

"ritična

struja

Napon (5)

%akost el1 struje (*)



Supravodljivost i poluvodiči 1$

je vanjsko magnetsko polje dovoljno jako da te kružnestruje premaše kritičnu struju I c tijelo prelazi izsupravdljivog stanja u normalno. 7ranična vrijednost

magnetskog polja iznad koje neka tvar prestaje bitisupravodljiva naziva se kritično $a'netsko polje" &c#. @a sve supravodiče postoje grani!e temperature i

jakosti magnetskog polja unutar koji' je ta tvar supravodljiva. Fzvan ti' grani!a tvar je normalna. Slika"desno# prikazuje odnos temperature i magnetski'

polja.

Slika "lijevo# prikazuje što se zbiva kada sesupravodič postavi unutar vanjskog magnetskog

polja. *ada se temperatura snizi ispod ispodkritične temperature T c supravodič izba!uje polje izvan sebe. To uspijeva stvaraju&i kružne strujena svojoj površini one proizvode Dmagnetsko ogledalo 0magnetsko polje koje je u unutrašnjosti tijela točnosuprotno vanjskom polju. Supravodič postajesavršeno dijamagnetičan poništavaju&i magnetsko

polje u svojoj unutrašnjosti. ,vo svojstvo savršenedijamagnetičnosti možda je najosnovije svojstvosupravodiča. +ojava izba!ivanja vanjskog magnetskog polja izsupravodiča naziva se eissnerov e6ekt te se vrlo lako možedemonstrirati tako da o'ladimo supravodič ispod njegove kritične temperature te postavimomaleni magnet poviše njega. ?agnet &e početi lebdjeti iznad supravodiča "vidi sliku desno#. 5ve&ini slučajeva vanjsko magnetsko polje magneta koji lebdi iznad supravodiča je dovoljno jakoda mjestimi!e prodre u supravodič te na njemu kao posljedi!a toga nastaju nesupravodljiva

područja. @bog toga magnet ne&e lebdjeti na istoj visini kao što je lebdio nakon što smo ga postavili iznad supravodiča.

Supravodiče dijelimo na supravodiče prve vrste

i supravodiče dru'e vrste. 5zor!i vrlo čistog olovažive i kositra primjeri su supravodiča prve vrste.)isokotemperaturni keramički supravodiči kao što suBa2Ju8,I i Bi2JaSr 2Ju2,K primjeri su supravodičadruge vrste. Ba2Ju8,9 "BJ,# je vrlo uobičajensupravodič druge vrste. Slika "desno# prikazuje gra6 odnosa indu!iranog magnetskog polja supravodiča prvevrste i vanjskog magnetskog polja 7ra6 prikazuje

poništavanje vanjskog magnetskog polja "ap!isa#indu!iranim magnetskim poljem "ordinata# koje jenastalo uslijed izlagana supravodiča spomenutom

vanjskom magnetskom polju. Fndu!irano magnetsko polje poništava vanjsko polje sve dok nedo(e do nagle promjene stanja iz supravodljivog u normalno. Supravodiči prve vrste su vrlo čistimetali koji obično imaju preniska kritična područja da bi se koristili za stvaranje supravodljivi'

agnetsko polje

Normalno stan e

ije/ano

stanje


$emperatura (")

T 7 Tc T 8 Tc




magneta. ;akost magnetskog polja mjeri se jedini!om gauss. ?agnetsko polje zemlje iznosiotprilike /.4 gauss0a. ;akost polja na površini magneta neodimij0željezo0borida iznosi otprilike1 kgauss0a. <ajjači supravodič prve vrste čisto olovo ima kritično područje od približno %//

gaussa. ;edini!a gauss je vrlo malena. ?nogo ve&a jedini!a za jakost magnetskog polja jest tesla"T#. 1 tesla iznosi deset kilogaussa "1=1/$ gauss0a#. Slika "desno# prikazuje gra6 indu!iranogmagnetskog polja supravodiča druge vrste u odnosu na vanjsko magnetsko polje. 7ra6 prikazujesupravodič druge vrste u rastu&em magnetskom polju. +rimijetit &ete na gra6u Bc1 i Bc2. Fspod Bc1 supravodič izba!uje iz sebe svo vanjsko magnetsko polje. <a jakostima polja izme(u Bc1 i Bc2 magnetsko polje počinje prodiratiu materijal. *ada se to dogodi kažemoda se materijal nalazi u $ije9ano$stanju tj. dio materijala je unormalnom stanju a dio još uvijek usupravodljivom stanju. Supravodiči

prve vrste imaju prenisko Bc da bi bilood neke koristi. <o zato supravodičidruge vrste imaju mnogo viševrijednosti Bc. Ba2Ju8,I

supravodiči imaju gornje grani!ekritični' područja od čak 1// T.

+onašanje supravodiča druge vrste pomaže objašnjavanju ?eissnerovog e6ekta. +rilikomizvo(enja pokusa sa lebde&im magnetom pomo&u supravodiča prve vrste potrebno je koristitioblik posude da bi se spriječilo izlijetanje magneta iz područja djelovanja supravodiča. ?agnet jeu stanju uravnoteženi' sila dok lebdi na površini izbačeni' smjerni!a polja. *ugli!a je umiješanom stanju prilikom izvo(enja ?essnerovog e6ekta zato jer jakost magnetskog polja na

površini samarij0kobalt magneta iznosi oko // 7 i jer je Bc1 za BJ, supravodič manji od 2//7.

Supravodljivo stanje je de6inirano s tri vrlovažna ve& spomenuta 6aktora> kritičnomtemperaturom "T c# kritičnim magnetskim poljem" Bc# i kritičnom strujom " I c#. Svaki od ovi' 6aktora

je vrlo ovisan o prisustvu druga dva 6aktora.,državanje supravodljivog stanja za'tjeva damagnetsko polje jakost struje kao i temperaturaostanu ispod kritični' vrijednosti koje ovise o

materijalu. Vazni dijagram na sli!i "lijevo# prikazujeodnos izme(u T c Bc i I !. <ajviše vrijednosti za Bc i J c pojavljuju se na temperaturi od / * dok senajviše vrijednosti za T c pojavljuju kada su B i J

jednaki nuli. *ada promatramo sva tri parametradobivena površina predstavlja kritičnu površinu.*reču&i se od te povšine prema izvorištu materijal

je supravodljiv. <a područjima izvan ove površinematerijal je u normalnom ili u miješanom stanju. *ada elektroni 6ormiraju Jooperov par onimogu dijeliti istu valnu 6unk!iju ili energetsko stanje. To rezultira nižim energetskim stanjemsupravodiča. T c i Bc su vrijednosti kada postaje poželjno da se elektronski parovi razdvoje. ;akost

struje ve&a od kritične vrijednosti prisiljena je te&i kroz normalan materijal. @a ve&inu praktični'ure(aja supravodič mora biti sposoban provoditi jaku struju i podnijeti jako magnetsko polje bezvra&anja u normalno stanje.

Supravodič prve vrste

Supravodljivo

stanje

Normalno

stanje

B!5anjsko magnetsko polje

4nducirano

magnetsko polje

Supravodič druge vrste

ije/ano

stanje Supravodljivo

ormalno stanje

:c2:c:c1

5anjsko magnetsko polje

6azni dijagram kritične povr/ine

B!




-o sada smo govorili o svojstvima supravodiča koja su obično povezana samakoskopskim svojstvima kao što su ?eissnerov e6ekt i odsustvo otpora. Sada &emo seusredotočiti na svojstva koja se odnose na kvantnu me'aniku ili miskroskopska svojstva. +rimjer

takvi' svojstava je 6enomen tuneliranja elektrona u supravodičima. Tuneliranje je pro!es koji proizlazi iz valne prirode elektrona. ;avlja se zbog gibanja elektrona kroz prostore koji su poklasičnoj 6izi!i zapriječeni zbog poten!ijalni' prepreka. Tuneliranje para elektrona me(usupravodičima odvojenima izola!ijskim slojem otkrio je Brian ;osep'son 1K2. godine.;osep'son je otkrio da ako se dva supravodljiva metala odvoje tankim izola!ijskim slojem kaošto je sloj kisika debljine 1/ do 2/ angstroma mogu&e je da elektronski parovi pro(u krozizola!ijski sloj bez otpora. Ta pojava je

poznata kao ;osep(sonov e6ekt te jesuprotna onome što se javlja kod obični'metala kod koji' mora postojati razlika

poten!ijala da bi struja tekla. Struja koja

teče kroz ;osep'sonov spoj ima kritičnu jakost struje što je karakteristika spojnogmaterijala i geometrije. ;osep(sonov spojsastoji se od dva supravodiča odvojenatankim izola!ijskim slojem. +arovisupravodljivi' elektrona pro&i &e krozizola!ijski sloj. Sve dok je jakost struje ispod kritične vrijednosti za spoj ne&e postojati otpor niti

padovi napona na spoju. Ako se smjesti do vodičakojim teče struja magnetsko polje koje generiravodič snižava kritičnu struju spoja. Stvarna struja

prolaze&i spojem se ne mijenja ali postaje ve&a

od kritične struje koja je snižena. Spoj tadarazvija otpor koji uzrokuje grananje struje. Slike"gore i lijevo# prikazuju ;osep'sonov e6ekt i

josep'sonov spoj. 7ornja slika prikazuje;osep'sonov e6ekt. Slika lijevo je gra6 odnosa

jakosti struje i napona za ;osep'sonov spoj.;osep'sonov spoj je superbrzi prespajački izum.;osep'sonov spoj može izvesti 6unk!ije

prespajanja kao što su prespajanje napona oko deset puta brže od uobičajenog poluvodičkogsklopa. To je izrazit napredak u kompjuterskoj te'nologiji koja ovisi o kratkim on-off

električnim impulsima. *ako brzina računala ovisi o vremenu potrebnom da se prenese impulssignala izuzetna brzina prespajana ;osep'sonovi' spojeva čini i' idealnim za upotrebu usuperbrzim i mnogo manjim računalima.

2.'. Pri)je$a s%#ravodi&a

<edugo nakon što je *amerling' ,nnes otkrio supravodljivost znanstveni!i su počelirazmišljati o praktičnoj primjeni tog novog 6enomena. <ove snažne supravodičke magnete bilo

bi mogu&e napraviti vrlo manje od uobičajeni' jer bi zavoji mogli nositi jake struje bez gubitkaenergije. Supravodički generatori bi mogli proizvoditi jednaku količinu struje sa manjomopremom i manje potrebne energije. +roizvedena električna energija mogla bi se prenositisupravodljivim ži!ama. Bilo bi mogu&e na duže vrijeme po'raniti energiju u supravodljive

namotaje bez značajni' gubitaka.

%osephsonov spoj

Slo oksida 0lektronski

Supravodič Supravodič

%osephsonov efekt



Supravodljivost i poluvodiči 1I

<edavna otkri&a visokotemperaturni'supravodiča velik su korak bliže snovima

o praktičnoj primjeni supravodljivosti. +rimjene koje se trenutno istražuju su uglavnom

ekstenzije trenutne te'nologije korištene u primjeni niskotemperaturni' supravodiča. +rimjenavisokotemperaturni' supravodiča trenutno obu'va&a> magnetne štitove medi!inskevizualiza!ijske sisteme "npr. ?GF# SW5F-20ove in6ra!rvene senzore ure(aje za pro!esiranjeanalogni' signala i mikrovalne ure(aje. Hto više razumijemo svojstava supravodljivi' materijalanji'ove primjene kao što su prijenos električne energije supravodički magneti u generatorimanaprave za po'ranjivanje električne energije ak!eleratori česti!a transport lebde&im vozilimarotiraju&a mašinerija i magnetski odvajači postati &e mnogo realnije.

Sposobnost supravodiča da provode elektri!itet bez otpora može se iskoristiti u upotrebilinija za prijenos električne energije. *od standardni' vodiča kao što su bakar i aluminij znatandio električne energije se gubi zbog otpora u obliku topline. +rijelazna supravodljivu te'nologiju ovisi o tome da li ži!e mogu bitinapravljene od lomljive keramike koja bi zadržala supravodljivasvojstva na II * te bi i istodobno bila u mogu&nosti podržavati jake struje.

2 !<UD> Supravodljivi prsten prekinut na dva mjesta sa ;osep'sonovim spojevima. *ada se dostatna električna struja provede tijelom sXuidagenerira se napon propor!ionalan snazi obližnjeg magnetskog polja. SW5F- krati!a od Super!ondu!ting W5antum Fnter6eren!e -evi!e jenajosjetljiviji detektor poznat znanosti.

!$S (!igh $emperature Superconductor) elektromotor

sna e 7888 "S

Supravodički kabel hlađen

tekuim du/ikom



Supravodljivost i poluvodiči 1%

+olje elektronike daje obe&anje za praktičnu primjenu supravodiča. ?inijaturaliza!ija i pove&anje brzine računalni' mikročipova ograničeno je nastajanjem topline i vremenom potrebnim za punjenje kondenzatora zbog otporame(upovezani' metalni' listi&a.5potreba novi' supravodljivi' listi&arezultirala bi guš&e sklopljenimmikročipovima koji bi mogli mnogo

brže prenositi in6orma!ije. 5 supravodičkoj elektroni!i ostvarena su impresivna postignu&a.Rogička kašnjenja od 18 pikosekundi te DsNit!'ing time od K pikoskunda eksperimentalno sudemonstrirane. 5potrebom osnovnog ;osep'sonovog spoja znanstveni!i mogu napraviti vrloosjetljive mikrovalne detektore magnetometre SW5F-0ove i vrlo stabilne izvore napona.

5potreba supravodiča za vo(enjestruje ve& je ostvarena korištenjemteku&eg 'elija kao ras'la(ivača.

+rototipovi lebde&i' vlakova ?aglev"super!ondu!ting $a'neti!allO levitatedve'i!le# koji koriste supravodičkemagnete ve& su konstruirani u ;apanu.Supravodički magneti ve& su postali

bitne komponente nekoliko te'nologija.?agneti! resonan!e imaging "?GF# imaveliku ulogu u medi!inskoj dijagnosti!i.;aka magnetska polja koja za'tjevajuovakovi instrumenti su savršena

primjena supravodiča. Slično tomu

ak!eleratori česti!a koji se koriste ustudijama 6izike veliki' energija vrlo su ovisni osupravodičkim magnetima jaki' polja.

S pove&anjem kritični' temperaturasupravodiča rasti &e i nji'ova primjena. Supravodiči s kritičnom temperaturom teku&eg dušikaomogu&ili su industriji više 6leksibilnosti u iskorištavanju supravodljivosti za razliku odsupravodiča sa T c teku&eg vodika. ?ogu&e otkri&e supravodljivodiča na sobnoj temperaturiunijelo bi supravodičke ure(aje u našu svakodnevni!u.

)isokotemperaturni supravodiči su suvremeni pronalas!i iz znanstveno0istraživački'laboratorija. Supravodljivost je imala dugu povijest kao spe!ijalizirano polje 6izike. @ajedničkim

naporima vladino 6ondirani' istraživanja nezavisni' istraživački' grupa i komer!ijalneindustrije primjena novi' visokotemperaturni' supravodiča i ne&e baš biti u tako dalekoj budu&nosti. )remenski razma!i izme(u novi' otkri&a i nji'ove praktične primjene često su

4 snimak ljudske lubanje

upravodički

ikročip

aglev vlak '98, sagrađen ;;<1 o=e postii brzinu od

ko 778 km>h1



Supravodljivost i poluvodiči 1K

veliki. ,tkri&e lasera u ranim šezdesetim godinama prošlog stolje&a tek je ne tako davno postalo!ijenjeno primjenom u laserskoj kirurgiji laserskoj optičkoj komunika!iji i J- čitačima. Gapidninapred!i na polju supravodljivosti navode nas da vjerujemo da je primjena supravodljivosti

ograničena samo maštom i vremenom.

2.*. Vre)e$si #re+led do+ađaja ve(a$i, %(s%#ravodljivos!

1"11 0 <izozemski 6izičar Ueike *amerling' ,nnes otkriva supravodljivost kod žive natemperaturi od $ *

1"13 0 *amerling' ,nnes dobio je <obelovu nagradu za 6iziku za svoje istraživanje svojstavatvari na niskim temperaturama

1"33 0 L. ?eissner i G. ,!'sen6eld otkrili su ?eissnerov e6ekt.

1"41 0 @nanstveni!i izvješ&uju o supravodljivosti niobij nitrida na 1 *

1"53 0 ,tkriveno da vanadij08 sili!ij supraprovodi na 1I.4 *

1"%2 0 @nanstveni!i iz Lesting'ousea su razvili prvu komer!ijalnu niobij0titanij supravodljivuži!u

1"2 0 ;o'n Bardeen Reon Jooper i ;o'n S!'rie66er su dobili <obelovu nagradu za 6iziku za prvu uspješnu teoriju o načinu rada supravodljivosti

1"=% 0 Fstraživači iz FB?0a Ale9 ?ller i 7eorg Bednorz rade keramički spoj lantana barija bakra i kisika koji supraprovodi na 84 *.

1"= 0 @nanstvene grupe na Sveučilištu u Uustonu i Sveučilištu u Alabami u Uuntsvilleusupstituiraju lantan itrijem i dobivaju keramiku koja supraprovodi na K2 * omogu&uju&itime korištenje je6tinog teku&eg dušika kao ras'la(ivač

+RA), 0 <A AT?,SVEGS*,? TRA*5@ERE<, 0 SA?, +,- )FS,*F? TRA*,?

POZNATI SUPRAVODLJIVIELEMENTI



Supravodljivost i poluvodiči 2/

1"== 0 Allen Uermann sa Sveučilišta u Arkanzasu dobiva supravodljivu keramiku kojasupraprovodi na 12/ *. <edugo nakon toga znanstveni!i iz FB?0a i ATYT Bell Rabs0a

proizvode keramiku koja supraprovodi na 124 *.

1""3 0 A. S!'illing ?. Jantoni ;. -. 7uo i U. G. ,tt iz @ri!'a Hvi!aska proizvode supravodičod žive barija i bakra "UgBa2Ja2Ju8,%# sa T c od 188 *.




". LIT-RATURA

)ladimir +aar 0 Atomi molekule poluvodiči supravodljivost

Gudol6 *rsnik 0 Vizika $. Hk. @agreb 2///g.

Super!ondu!tors.org 0 'ttp>super!ondu!tors.org

5niversitZt Uamburg + 'ttp>NNN.p'Osnet.uni0'amburg.de

Vakultet +rometni' @nanosti 0 'ttp>NNN.6pz.'r

http://superconductors.org/

http://www.physnet.uni-hamburg.de/

http://www.fpz.hr/

http://www.physnet.uni-hamburg.de/

http://www.fpz.hr/

http://superconductors.org/

supravodljivost i poluvodiči

Documents