Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Эффект Джозефсона в контактах сверхпроводник-полупроводник-сверхпроводник

Диссертация: Эффект Джозефсона в контактах сверхпроводник-полупроводник-сверхпроводник
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Показано, что неупорядоченностьпрослойки существенно изменяет вид температурной зависимости критического тока. Это связано с возникновением впрослойке флуктуационных каналов — глубоких провалов дна зоны проводимости. Несмотря на малую вероятность их образования, прохождение электронов именно по таким каналам в компенсированном полупроводнике дает главный вклад в критический ток в широкой области… Читать ещё >

Эффект Джозефсона в контактах сверхпроводник-полупроводник-сверхпроводник (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Стационарный эффект Джозефсона в сверхпроводящих структурах с полупроводниковой прослойкой
    • 1. 1. Методы теоретического анализа стационарного тока в слабосвязаннйх сверхпроводящих структурах
    • 1. 2. Общее выражение для джозефсоновского тока структуры
    • 1. 3. Критический ток контакта $*г> в случае «чистого» полупроводника
    • 1. 4. Критический ток контакта в случае «грязного» полупроводника (учет примесного рассеяния куперовских пар)
    • 1. 5. Обсуждение результатов
  • 2. Флуктуационные явления в контактах
    • 2. 1. Зшуктуационные явления в полупроводниках
    • 2. 2. Теория критического тока с учетом флуктуаций типа «канала»
    • 2. 3. Вклад резонансно-перксшщионных траекторий в критический ток контакта .И
    • 2. 4. Обсуждение результатов
  • 3. Нестационарный эффект Джозефсона в сверхпроводящих структурах с полупроводниковой прослойкой
    • 3. 1. Вывод обшей формулы для сверхпроводящего тока
    • 3. 2. Риделевские особенности тока при резонансном туннелировании. ,
    • 3. 3. Обсувдение результатов
  • 4. Сопоставление с экспериментом
    • 4. 1. ТЗсновные экспериментальные результаты исследования эффекта Джозефсона в контактах (обзор литературы)
    • 4. 2. Сопоставление развитой теории с экспериментом
  • Выводы.ЮО

В последнее время в электронике вое большее значение приобретают различные устройства, использушие физические явления, возникашие в твердых телах при низких температурах. В их числе явление сверхпроводимости, и особенно эффекты Дкозефсона / I—8 /.Использование этих явлений в приборах электронной техники (элементы ЭВМ, приемники высокочастотных сигналов, сверхпроводящие квантовые интерферометры и т. д.) сейчас представляет уке самостоятельную область науки и техники, получивщую название криоэлектроники / I /.Ее развитию во вшогом способствовало исследование и применение слоистых структур, состоящих HS двух сверхпроводников, разделенных достаточно тонкой прослойкой из несверхпроводящего материала. В таких структурах первоначально в качестве промевуточной прослойки применялись различные диэлектрики — окислы металлов. При этом толщины окисных слоев не должны превышать нескольких нанометров / 1−3 /. Вследствие этого для р. Х-р контактов характерно явление деградации параметров, так как нарушается тонкая изолирукшая прослойка из-за диффузии атомов иг сверхпроводящих металлов. Кроме того, из-за малой толщины и большой диэлектрической постоянной, 1- -прослойки, такие контакты обычно обладают значительной емкостью, а на их вольтамперных характеристиках, как правило, проявляется гистерезис, что ограничивает область практического использования таких систем. Вместо диэлектрика Кларком было предложено / 4 / в качестве промежуточного слоя использовать нормальный (несверхпроводящий) металл. Допустимая толщина прослойки в таких конташ1ЭХ воз- ^ ^ растает до долеЁ микрона. Соответственно уменьшается емкость, устраняется гистерезис и в значительной степени снижаются делтрадационнне явления. Однако такие структуры обладают малым нормальным сопротивлением, что затрудняет их практическое использование. Оптимальными параметрами обладают контакты с полупроводниковой ($УУ)) прослойкой / 2,5 /.Свойства таких контактов существенно зависят от концентрации свободных носителей в полупроводнике. При малой концентрации контакты p-^lm-p похожи на обычные джозефсоновские элементы ^ а щ>и большой — б ш з ш к ^ Ж — ^ воятактан. Свободнне воситвди В полупроводнике могут создаваться как путем введения примесей (легированием), так и с помощью облучения контактов светом. Шенно такой фоточувствительннй контакт жа Cci$ впервые был экспериментально осуществлен в работе / б /.Изменяя время облучения или концентрацию примесей, можно рехудлровать концентрацию свободных носителей в /^^ -прослойке и тем самым влиять на эффективную прозрачность барьера, сквозь которсй! чщнелиругот сверхпроводящие электроны. Таким образом, удается варьировать критический ток, вольтамперную характеристику и другие параметры контакта p — $ n i —, что открывает новые возможности применения их в криоэлектронике. Наибольший интерес представляет область промежуточных концентраций носителей, когда барьер уже достаточно понижен, и толщина слоя полупроводника может значительно превышать межатомные расстояния (это делает такие контакты стабильными), и в то же время контакт обладает большим нормальным сопротивлением, что важно при практическом использовании. Для построения такой теории необходимо бшю решить следующие задачи: 1. Разработать метод теоретического анализа прохождения сверхпроводяшего тока через слой полупроводника в p ' p w p контактах.2. Исследовать влияние неупорядоченности р/^-прослойки на джозефсоновский ток контакта.3. Учесть примесное рассеяние когерентных электронов как в выровденном, так и невырожденном полупроводнике.4. Изучить вольт-амперные характеристики (БАХ) контактов p-pw-p.5. Сопоставить развитую теорию с име1заимися в литературе даннш., к<�шврн"ан.альш. исоавлований U^-^ кон.", ов. В главах 1,2 и 4 настояшей диссертации первые разделы содержат обзоры опубликованных другими авторами результатов теоретического и экспериментального исследования $-Sf^^ контактов и смежных вопросов* В остальных разделах излагаются собственные исследования автора. — 6 Автор защищает: 1. Тевшературные зависимости джозефсоновского тока контактов $$f^-^, найденные на основе микроскопической теории.2. Определшошую роль глубоких $Еук!1*уационных каналов для прохождения когерентных электронов через компенсированную полупроводниковую прослойку в широком интервале концентраций приме* сей в полупроводнике.3. Эффект сильного увеличения критического тока контакта ^'^м-$ с прослойкой из невырожденного полупроводника за счет резонансного туннелирования когерентных электронов по траекториям с периодически расположенными примесями.4. Эффект усиления риделевской особенности в амплитуде сверхпроводящего тока в p-pw-p контактах при резонансном туннелировании и ее расшепяение в несимметричных контактах.5. Штерпретацию на основе развитой теории опытных данных, опубликованных в литературе и ранее не объясненных. Материалы диссертации докладывались на: 1. И П Всесоюзном совещании по физике низких температур (г.Кишинев, 1982 г.).2. У Республиканском семинаре по физике и технологии тонких пденок (г.Ивано-Франковск, 1983 г.).3. Всесоюзной конференции по теории твердого тела памяти И, М. Лифшица (Звенигород, 1984 г.), 4. Советско-итальянском симпозиуме по слабой сверхпроводимости (Москва, 1984 г.).5. Научных семинарах ИФТТ Ж СССР, М Ш И и МЙСиС. По материалам диссертации опубликованы следующие работы: Х. Асламазов Л. Г., Фистуль М. В. Критический ток джозефсоновских конгтактов с полупроводниковой прослойкой.-41исьма в ЖЭтФ, 1979, т. ЗО, ВЫМ.4, 0,233−236. — 72. Асламазов 1.Г., Фистуль М. В. Температурная зависимость критического тока контактов сверхпроводник — полупроводник сверхпроводник. — ЖЭТФ, I98I, т.81, внп. К?), с.382−397.3. Асламазов Л. Г., Фгстуль М. В. Резонансное туннелирование в контактах сверхпроводник — полупроводник — сверхпроводник. -1ЭТФ. 1982, Т.83, вып.3(9), C. II70-II76.4. Асламазов Л. Г.,стуль М. В. Влияние примесных уровней в полупроводнике на критический ток контактов сверхпроводник полупроводник — сверхпроводник. — Тезисы докладов ХХП Всесоюзного совещания по физике низких температур. — Кшшнев, 1982, с.85−86.5. Асламазов Л. Г., Фистуль М. В. Особенности вольтамперных характеристик контактов сверхпроводник — ползщроводник — сверхпроводник. — ЮТФ, 1984, т.86, вып.4, с.1516−1526. — 8.

выводы.

1. На основе микроскопического подхода получена общая формула для критического тока структуры сверхпроводник — полупроводник — сверхпроводник (), позволяющая исследовать температурную зависимость критического тока.

Анализ этой формулы дал возможность* определить пределы изменения толщиныпрослойки и концентрации примесей в ней, при которых появляются туннельный механизм протекания джозефсоновского тока и механизм потери когерентности электронов при слабом и сильном примесном рассеянии в упорядоченной ^-прослойке.

2. Показано, что неупорядоченностьпрослойки существенно изменяет вид температурной зависимости критического тока. Это связано с возникновением впрослойке флуктуационных каналов — глубоких провалов дна зоны проводимости. Несмотря на малую вероятность их образования, прохождение электронов именно по таким каналам в компенсированном полупроводнике дает главный вклад в критический ток в широкой области концентраций примесей.

3. В случае невыровденного полупроводника установлен эффект более слабого убывания критического тока с толщиной $м-прослойки, чем при обычном туннелировании электронов. Этот эффект объясняется резонансным прохождением когерентных электронов по траекториям из периодически расположенных примесных атомов (резонансно-перколяци-онные траектории Лифшица). Найдена соответствушая зависимость критического тока от толщины полупроводниковой прослойки и определена область толщин, в которой проявляется резонансное туннелирование (СК > Qq.

4. Исследована температурная зависимость критического тока в условиях резонансного туннелирования. Показано, что в этом случае на зависимости lc (Т) должен наблюдаться характерный перегиб при температуре Т^.

5. Получено общее выражение для сверхпроводящего тока при приложении к контакту внешнего постоянного напряжения. Анализ общего выражения показал, что риделевская особенность может значительно усиливаться вследствие резонансного механизма прохождения когерентных электронов. В несимметричном случае (различные сверхпроводники, разные барьеры Шоттки и т. п.) риделевская особенность «расщепляется» на две, возникающие при А4(1+$ и, где ft определяется отношением напряжений на границах и .

6. Выполнено сопоставление развитой теории с опубликованными и ранее не объясненными экспериментальными данными.

Показано, что для контактов со светочувствительной поликристаллической прослойкой зависимости Д от времени освещения и от температуры хорошо объясняются прохождением электронов по глубоким флуктуационным каналам.

Экспериментальные зависимости критического тока от толщины прослойки, полученные на контактах с аморфнойпрослойкой, объясняются резонансным туннелированием электронов.

Показать весь текст

Список литературы

  1. А.Ф., Заварицкий Н. В., Надь Ф. Я. Электронные устройства на основе слабосвязанных сверхпроводников. М.: Советское радио, 1979. — 136 с.
  2. Ьаъоне Л., Paiezvo б. Physics and ctpp? ications ojthe Josephs effects. -У Y. J. Wity *"<(4382.- 523 p.
  3. В.В. Введение в физику сверхпроводников. M. s Наука, 1982. — 240 с.
  4. Сйг&е J. Suppezcuzienis in £елЛ- tofftz- £еа<4 SemJv/icAes. hoc. Roy. Sac., 43 63 , V. J508 , *tms , />. M7-t71.
  5. B.H. Сверхпроводники, полупроводники, параэлектрикив криоэлектронике. М.: Советское радио, 1979. — 407 с.
  6. Gioivez I. photosensitive tunneiin^ qhJ ЪирегсоиЛис-Ыvc^.-Php. Клм. ии.,№, и. 20, У 25, f. 4286- 4283.
  7. Josephso* ?.2>. PossiMe. nw effect0 iy> SupezconJuctive.- %s. Ш., SM2, v. 4, У г, />. ж-ггу
  8. ЬагЛеен J. Tunneling jzom, а маиу- f^ztiUe point of
  9. Phys. Rev. Ш., 4314, v. 6, У4 ,/>.S7-S3.
  10. Coheh MM., F*eu*v L.M., flt/ty* J. С $"f*zco*Juctivt-, v.8, f>.346−3il.
  11. V.}B>azatoUA Т"и"г&и} Шш Лс^и. Php. ite, /e".,. * ^ < P Ш’Ю.
  12. A.B., Слюсарев В. А. К теории туннелирования в сверхпроводниках. ЖЭТФ, 1966, т.51, вып.1(7), с.177−182.
  13. Wtzihame-z N.R. J/ои JLimaz Self — Coup&hg of Josep/>son Radiation w SvpezconJudivitj,-: Tunnel Junctions. — Php. hv.} 43U, v. 4K >f. 2b5−2ly
  14. А.И., Овчинников Ю. Н. Синельный эффект между сверхпроводниками в переменном поле. ЖЭТФ, 1966, т.51, вып.5(11), с.1536−1543.
  15. Л.Г., Ларкин А.й., Овчинников Ю. Н. Эффект Джозеф-сона в сверхпроводниках, разделенных нормальным металлом. -ЖЭТФ, 1968, т.55, вып.1(7), с.323−335.
  16. Pzcmye /… Тиме&ц }гоп о many-раъИс?е. foMoj
  17. VUW. Rev. t 1363, v. 131 tN3, p. Ю83-Ю86.
  18. С.И. К теории неупругого туннельного эффекта в нормальных металлах. ЖЭТФ, 1973, т.64, вып.5, с.1776−1785.
  19. SchzieMet J.K., Scaiqj>iho 5U., Wilkin* JV. Cffectin. ТимнгИ*}ojMes in supezcoHJucb>is-top.Rev.LeU./S&**tt j Р’Ъ36'35Э
  20. А.А., Горьков Л. П., Дзялошинский И. Е. Методы квантовой теории поля в статистической физике. М.: Физматгиз, 1962. — 444 с.
  21. А.В., Анцигина Т. Н., Братусь Е. Н. Сверхпроводящий ток в широких контактах. ЖЭТФ, 1971, т.61, вып.5 (11)^0.1612−1619.
  22. А.И., Мицай Ю. Н., Свидзинский А. В. К теории токовых состояний в контактах типа . Препринт ИТФ Ж УССР, 81−57 Р.
  23. Jostj>hson 6. Й. SuptzCKziwH ihiouflb fazzUzs.—
  24. Mv. rhf. s., ms, V. 19, f>. 113-M.
  25. И.О., Янсон И. К. Эффект Джозефсона вгсверхпроводящих структурах. М.: Наука, 1970. — 272 с.
  26. А.Д., Жарков Г. Ф. К теории слабой сверхироводимовти в -системах. ЖЭТФ, 1980, т.78, вып.2, с.721−732.
  27. Л.Г., Фистуль М. В. Критический ток джозефсоновских контактов с полупроводниковой прослойкой. Письма в ЖЭТФ, 1979, т.30, вып.4, с.233−236.
  28. Л.Г., Фистуль М. В. Температурная зависимость критического тока контактов сверхпроводник полупроводник — сверхпроводник. -ЖЭТФ, 1981, т.81, вып.1(7), с.382−397.
  29. Л.Г., Фистуль М. В. Особенности вольт-амперных характеристик контактов сверхпроводник полупроводник — сверхпроводник. — ЖЭТФ, 1984, т.86, вып.4, с.1516−1526.
  30. И.Ф., Шехтер Р. В. Стационарный эффект Джозефсона в контактах сверхпроводник полупроводник — сверхпроводник. -ФНТ, 1981, т.7, Ш 7, с.863−873.
  31. И.Ф., Шехтер Р. В. Влияние экситонного спаривания на стационарный эффект ДЕозефсона в контактах сверхпроводник -полуметалл сверхпроводник. — ®-Т, 1983, т.9, в.1, с.5−14.
  32. В.Н., Гриценко Н. И. Критический ток сверхпроводящих слабосвязанных структур на поверхности полупроводника. ФТТ, 1982, т.24, в.7, с.2209−2211.
  33. В.Н., Гриценко Н. И. Критический ток слабо связанных сверхпроводящих структур на поверхности вырожденного полупроводника в грязном пределе. ШНТ, 1983, т.9, в.6, с.574−580.
  34. И.О., Горбоносов Л. Е. Препринт ВИНИТИ, 1968, В 239.34. л-а|>кйн А.И., Овчинников Ю. Н., Федоров М. А. ЖЭТФ, 1966, т.56, вып.4, с.835−844.
  35. Бонч-Бруевич В.Д., Калашников С. Г. Физика полупроводников. -М.: Наука, 1977. 672 с.
  36. Дюк К. Б. Теория туннельного перехода в системе металл- барьер- металл. В кн.: Туннельные явления в твердых телах. Под ред. Э. Бурштейна, СЛундквиста. — М.: Мир, 1973, с.36−50.
  37. .И., Эфрос А. Л. Электронные свойства легированных полупроводников. M. s Наука, 1979. — 416 с.
  38. В.Н., Гриценко Н. И. Влияние полупроводникового слоя на критический ток структуры . сверхпроводник полупроводник- сверхпроводник. ФТТ, 1980, т.22, Ш II, с.3332−3334.
  39. А.А., Горьков Л. П. К теории сверхпроводящих сплавов. I. Электродинамика сплавов при абсолютном нуле. ЖЭТФ, 1958, т.35, вып.6(12), с.1558−1571.
  40. H^an^C.J. (Pftlcat си h-t^z
  41. J. ЛррС. Р^s., 4363 tv. to, У 7, />. 373Y- то.
  42. М.А., Омельяновский Э. М., Первова Л. Я., Ткач Ю. Я., Фистуль В. И. Фотопроводимость монокристаллического GaJs с крупномасштабными флуктуациями электростатического потенциала примесей. ФТП, 1976, т.10, вып.5, с.851−859.
  43. .И., Эфрос А. Л. Примесная зона и проводимость компенсированных полупроводников. ЖЭТФ, 1971, т.60, вып.2,.с.867−878.
  44. Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах (т.1). М.: Мир, 1982. — 368 с.
  45. Шик А. Я. Электронные свойства неоднородных полупроводников. -Афтореф. дисс.. докт.физ.-мат.наук. Л., 1980. — 22 с.
  46. И.М., Гредескул С. А., Пастур Л. А. Фиуктуационные уровни в неупорядоченных системах. ФНТ, 1976, т.2, В 7, с.1093−1100.46. /W B.o. Thomas- Fezw а^гоасЬ to i^ze
  47. Se^ico^ducioz 4cmct siu
  48. Л .В., Дрошко Г. П. Инфракрасное поглощение в сильнолегированном германии. ФТТ, 1963, т. 5, Л 12, с.3378−3389.
  49. И.М., Кирпиченков В. Я. О туннельной прозрачности неупорядоченных систем. -ЖЭТФ, 1979, т.77, вып.3(9), с.989−1016.
  50. Л.Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. М.: Наука, 1974. — 752 с.
  51. Л.В. Диаграммная техника для неравновесных процессов. -ЖЭТФ, 1964, т.47, вып.4(10), с.1515−1526.
  52. А.И., Овчинников’Ю.Н. Нелинейная проводимость сверхпроводников в смешанном состоянии. ЖЭТФ, 1975, т.68, вып.5, с.1915−1927.
  53. А.Б., Лихарев К. К. Вольт-амперные характеристики джозе-фсоновских переходов с малой емкостью. ШТ, 1977, т. З, В 2, с.148−150.
  54. HQMi€ion С. Я. Тг&^цеису. dependence ofе Joseph son cuzze^. %s. Rev. b, 43П, *, f>. 312-вгЪ.
  55. Ниаи^ С. L>., Van Ъиыг Т. }o$tj>h%on Ьлине&и} thzo^b lос* Uy Мши eel Silicon vJa.jtzS. /tys. lett,
  56. Huan^C.L. }У"иЪигегТ. Sinjie-czisUt siMc**fazriez Josephs fund ions.-IEEE Тглм. ои My"., iS75'J v. M"yH, Л/*, p. Ш-US.
  57. Ниаи} С. L. } V*h 2WT. Sho-tbky. diodes oUezdevices ои ihin Silicon Mewzqh es. IfE? Tzms. on devices, 4m, v. lt-гь tj/6,
  58. B.H., Вврбило А. В., Колесников Д. П., Рыжков В. А. Эффект Джозефсона в пленочных структурах с перемычкой из вырожденного полупроводника. ФТП, 1979, т.13, вып.1, с.164−166.
  59. А.Л., Журавлев Ю. Е., Махов В. И., Тябликов А. В. Джозеф-соновские мостики с перемычкой из монокристаллического & .- Письма в Ш, ТФ, 1983, т.9, вып.17, с.1061−1066.
  60. Я-С., Van Ъияег Т. § UUon- coupg&J Joscj>hsoH junctions «иЛ SUj>ei- Sbottkfr Motles и/i&→ cofanaz Z&cizoes. IEEE Tz"hs.°y> ЕгсЛъои tehees, P• лм-ш.60. SchtfUz M., J.
  61. T. SiMcoH-hizUz Josef h%on jundiohS lh copiat"4l and SanJwichiwtyvtbm. IEEE 7W W*, К JM ,/>• Ш-Ш.
  62. Ke^ez W.H. > MoiJnnh J.E. Sf>nHezeJ Thih-FU»?
  63. Supe-zconofuciot- itvhLconJucioz Junciiobg. —
  64. J. fifft Php.,
  65. A.JI., Махов В. И., Самусь A.H., Тябликов А. В. Высоко-омные джозефсоновские структуры на основе поликристаллического . Письма в Е-ТФ, 1981, т.7, вып.8, с.502−506.
  66. J., Ънъе, г Т. Supezcuzzent Tunneiih^ hnciri-ОИ5 With TtMiiziuhi fictzzUzs.- JppC. Phy.s. IM .} JSli
  67. J. } V<*n Ъццаг Т. Theo-Ly and fflebsuzetbents о и
  68. U*J-Tel?uU""-JU"l S^ConJudoz Junctions.- Ш lob/ TfUvif*-zatvze Hpics, i/. J, Ti^ezUs К.Ъ. fdS. M Г. Пашт^М+Ж
  69. Ba-Lont J)., Faiciho &. } RuSSo M., Vaylto R. Li^kt- LmJhced izthsiiioh fzom «Small» to Jose^Asohjmdio" s. fl^s. LM., 497 Г t К SSA
  70. Ba zone Л. } Ressner) P. J Russo M., ?<�Ье.гио (?. K.
  71. WeciS"zehieMi? of dc Sostpbson сиг-геиt Ы ti^ht
  72. Se^si-bivi junctions. %s. V. tf ms-ШО.
  73. Л., Rlssw* P } Russo M.? fleet ргерогШо" pazametezs ои SeMSivrfy. Sufezconductiye junctions.- R&v. Hp. Jjj>f>?.} J379, J// ,/>.
  74. Jhelieozg.} F } Ваыие Я., Czistiwo К., &
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!