半导体 超导体
例析半导体、超导体的应用
例析半导体、超导体的应用河北王静一. 利用半导体的特性解题用半导体材料制成的热敏电阻具有热敏特性，用半导体材料制成的光敏电阻具有光敏特性，掌握其特性是分析传感器原理或自动装置原理的基础。
同时还要知道二极管的单向导电性。
例1. 家用电饭煲中的电热部分是在电路中串联一个PTC（以钛酸钡为主要材料的热敏电阻器），其电阻率随温度变化的规律如图所示，由于这种材料具有发热和控温双重功能，能使电饭煲自动地处于煮饭和保温状态。
（1）通电前材料的温度低于t1，通电后，电压保持不变，它的功率是（）A. 先增大后减小B. 先减小后增大C. 达到某一温度后功率不变D. 功率一直在变化（2）当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在（）A. t1B. t2C. t1到t2之间的某个温度上D. 大于t2的某个温度上解析：当电饭煲内的温度从0升高到t1的过程中，热敏电阻的电阻率随着温度的升高而减小，则电阻也随着温度的升高而减小，而加在电饭煲上的电压保持不变，由可知，在此过程中电饭煲的发热功率P1随着温度的升高而增大，当温度达到t l时，发热功率达到最大。
温度从t1到t2的过程中，随着温度的升高电阻率增大，电阻也随之增大，则可知发热功率减小；而温度越高，其温度与外界的温差就越大，电饭煲的散热功率P2越大。
因此，在这之间的某一温度发热功率等于散热功率，即达到保温状态。
设此温度为t3；当t<t3时，P1>P2，使温度自动上升到t3；当t>t3时，P2>P1，会使电饭煲内的温度自动降为t3，实现自动保温效果。
答案：（1）AC （2）C二. 关于超导体的特点及其应用超导体的主要特点是：零电阻性、完全抗磁性。
例2. 下列说法中正确的是（）A. 任何物质的温度降到某一值时都会出现电阻突然为零的现象B. 转变温度低于液氦温度（4.2K）的超导体叫低温超导体；转变温度高于液氦温度的超导体叫高温超导体C. 高温超导体可以广泛应用于实际中D. 超导体的主要特性是零电阻性，因此当把这种材料用来远距离输电时能避免电能损失解析：大多数金属、合金及其氧化物都会出现超导现象，但不是任何物质都会出现超导现象，A项错误；转变温度高于液氦温度（77K）的超导体叫高温超导体，B项错误；高温超导体目前的最高转变温度为125K，相当于-148℃，与室温相比还是极低的，因而还不能应用于实际，C项错误；超导体的主要特性是零电阻性，即电流在其间流动时不受任何阻碍，不会因发热而损失电能，故D项正确。
超导体的性质及其应用
超导体的性质及其应用超导体是一种特殊的物质，具有超导性质，即在超导状态下，电流能够无阻尼地流动。
超导体的发现已经有一百多年的历史，但是这一领域仍然在不断地探索和发展，因为它具有广泛的应用前景。
一、超导体的基本特性超导现象是普通金属、半导体、绝缘体在低温下发生的。
在某一温度下，金属或其他材料的电阻突然降到零，这被称为超导现象。
此时电流可以在材料内无耗散地流动。
超导体具有以下几个基本特性：1. 零电阻超导体在超导状态下的电阻是零，电流能够在材料内无阻尼地流动。
这种特性意味着超导体可以作为高效的电线和电缆使用。
通过在超导体内流动电流，我们可以将能量输送到远处的地方。
2. 磁通量量子化在超导体中，磁通量的变化是量子化的。
这意味着磁通量只能在一个固定的大小范围内变化。
这一特性使得超导体可以作为高精度的磁测量仪使用。
3. 非常低的热导率超导体的热导率非常低，这意味着在超导状态下，超导体会把电流输送到远处，而不会将能量释放为热量。
这是超导体应用于高能物理实验和医疗成像等领域的原因之一。
二、超导体的应用超导体的这些特性使得它在各种领域中具有广泛的应用前景。
以下是一些主要的应用领域：1. 超导磁体超导体可以用来制造非常强大的磁体。
这些磁体在医疗成像、核磁共振、加速器、磁悬浮列车等领域中广泛应用。
利用超导体制造的磁体比利用传统材料制造的磁体更强大，同时也能节省能源和成本。
2. 超导电缆超导体可以作为高能量输送的高效电缆使用。
利用超导体制造的电缆具有比传统电缆更高的能量传输速率，同时能够降低能量损失和线路堵塞。
3. 超导电子元器件超导体可以用来制造高速、高精度的电子元器件，如微波滤波器、量子比特、SQUID等。
这些元器件在通信、计算机、量子计算等领域中有重要的应用。
4. 超导电动机利用超导体制造的电动机比利用传统材料制造的电动机更高效、更具可靠性。
这些电动机在船舶、航空航天、高速列车等领域中有广泛的应用前景。
5. 超导材料随着超导材料的研究和制造技术的发展，超导材料的性能不断提高，同时成本也在逐步降低。
半导体与超导体
二、半导体的微观结构特征
半导体一般是四价的，如果在半导体掺 入三价元素，共价键中将形成电子缺乏的局 面，使“空穴”载流子显著增多，形成P型 半导体。典型的P型半导体是硅中掺入微量 的硼。如果掺入五价元素，共价键中将形成 电子多余的局面，使电子载流子显著增多， 形成N型半导体。典型的N型半导体是硅中掺 入微量的磷。 如果将P型半导体和N型半导体烧结，由于它 们导电的载流子类型不同，将会随着组合形 式的不同而出现一些非常独特的物理性质。
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高三物理 欧姆定律、电阻定律、半导体、超导体及应用 知识精讲 通用版
高三物理 欧姆定律、电阻定律、半导体、超导体及应用 知识精讲 通用版【本讲主要内容】欧姆定律、电阻定律、半导体、超导体及应用1. 知道形成电流的条件，理解电流的概念。
2. 理解欧姆定律的内容和适用条件。
3. 理解电阻定律的内容、公式，电阻率的意义、线性元件及非线性元件。
4. 知道半导体、超导体及其应用。
【知识掌握】【知识点精析】1. 电流（1）定义：电荷的定向移动形成电流。
电荷指自由电荷，金属导体中指自由电子的定向移动，电解质溶液中指正负离子同时向相反方向的运动。
（2）形成电流的条件：导体两端存在电压。
其一要有自由电荷；其二要有电场。
电源的作用就是保持导体两端的持续的电压，形成持续的电流。
（3）电流的方向：规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。
如果电流是靠自由电子的定向移动形成的，则电流的方向和自由电子的定向移动方向相反。
（4）电流强度：通过导体某横截面的电荷量Q 跟通过这些电荷量所用时间t 的比值叫电流强度，简称电流。
定义式tQ I =，其中Q 是通过导体横截面的电量 。
（5）单位：安培（A ）是国际单位制的基本单位之一 A 10mA 10A 163μ==。
（6）方向不随时间改变的电流叫直流；方向和强弱都不随时间改变的电流叫恒定电流。
（7）电流的微观本质：如图是粗细均匀的一段长为L 的导体，两端加上一定的电压，导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为V ，设导体的横截面积为S ，导体每单位体积内的电荷数为N ，每个自由电荷的电荷量为q 。
导体中的自由电荷总数为N ＝nSL总电荷量为Q=Nq=nLSq所有这些电荷通过横截面D 所需的时间为v L t =所以导体中的电流nqSv vL nLSq t Q I === 由此可见，从微观上讲，电流决定于导体中单位体积中的自由电荷数目，电荷量，定向移动速度，还与导体的横截面积有关。
2. 欧姆定律（1）内容：导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比，即RU I =。
半导体材料特性
2.1.1 电子
微观状态下发生的吸引和排斥作用定理是同种电荷 相互排斥荷异种电荷相互吸引。带负电的轨道电子分布 为一个绕核的空间电子云，通过与带正电的核的相互吸 引作用来保持其位置。各个电子占据了包含7个不同壳 层的轨道。例如，在一个氢原子内部，每个壳层对应了 一个特定的能级，以从K到Q的字母来区分。而对于被称 为多电子原子的其他所有原子而言，每个壳层的轨道能 量并不同。 电子能级
？什么是半导体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
不同电阻特性
不同输运机制
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
2.1 原子结构
在原子模型中，原子由三种不同的粒子构成：中性 中子和带正电荷的质子组成原子核，以及绕核旋转的带 负电荷的电子。原子中的质子数和电子数相等，这使得 原子呈电中性。
2.2.1 离子键
当价层电子从一种元素的原子转移到另一种原子上时，就会形成 离子键。不稳定的原子容易形成离子键。氯化钠就是一个例子。钠 （Na）位于IA族，表明价层有1个电子。Na是一种高腐蚀性的不稳定 元素，在硅片制造中需要小心控制以避免器件沾污。氯（Cl）位于 VIIA族，价层有7个电子，原子距离价层全满还缺少一个电子，因此它 也是不稳定的。由于这种不稳定性，这两种原子（Na和Cl）彼此具有 亲和性。钠容易失去电子给氯，形成一个离子键。
微电子技术基础-半导体及其基本特性
半导体材料的分类
3.半导体材料的分类
对半导体材料可从不同的角度进行分类。 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导 体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型 、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶 半导体。 比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依 此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大 类。
载流子
9. 非本征半导体的载流子
热平衡时: 在非本征情形:
np n
2 i
n p
n大于p
p大于n
N型半导体：
P型半导体：
载流子
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
载流子
电中性条件: 正负电荷之和为0
p + Nd – n – Na = 0
原子能级 能带
量子态和能级 固体的能带结构
半导体的能带
半导体的能带结构
导 带
Eg
价 带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带； 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带； 禁带：导带底与价带顶之间能带； 带隙：导带底与价带顶之间的能量差。
半导体的能带
电子和空穴的有效质量m*
半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子， 但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的
基本方程
方程的形式1
x, t s 0
2
特例： 方程的形式2
E
1
s 0
x dx
s
均匀Si中，无 外加偏压时，
方程RHS＝0， 静电势为常数
电荷 密度
半导体和超导体的概念
半导体和超导体的概念半导体和超导体是现代电子学中至关重要的两大概念。
半导体是指在一定温度下，其导电性能介于导体和绝缘体之间的一类材料；而超导体则是指在低温下，其电阻为零的一类材料。
这两个概念的诞生和发展，对于现代电子技术的发展和应用产生了深远的影响。
一、半导体的概念和特点半导体是指在一定温度下，其导电性能介于导体和绝缘体之间的一类材料。
它的导电性能介于导体和绝缘体之间，因此被称为半导体。
半导体具有以下几个特点：1. 导电性能介于导体和绝缘体之间。
在半导体中，电子的能带结构介于导体和绝缘体之间。
当半导体的温度上升时，其导电性能逐渐增强。
2. 具有PN结的特性。
PN结是半导体器件中最基本的元件之一。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的，它具有单向导电性，可以用于制造二极管、三极管等器件。
3. 可以被掺杂。
掺杂是指在半导体中加入少量的杂质，从而改变半导体的导电性能。
掺杂可以将半导体分为P型半导体和N型半导体。
4. 具有光电效应。
半导体材料具有光电效应，即当光照射在半导体上时，会产生电子和空穴对，从而产生电流。
这种效应被广泛应用于太阳能电池、LED等器件中。
二、超导体的概念和特点超导体是指在低温下，其电阻为零的一类材料。
超导体的发现是在1911年，当时荷兰物理学家海克·卡迈伦斯发现在低温下，汞的电阻为零。
这一发现引起了科学界的广泛关注，随后在研究中发现了更多的超导体材料。
超导体具有以下几个特点：1. 电阻为零。
在超导体中，电流可以无阻力地流动，因此电阻为零。
这种特性被广泛应用于制造超导磁体、超导电缆等器件。
2. 低温要求高。
超导体的电阻为零要求材料处于低温状态，通常需要将其冷却到接近绝对零度的温度。
3. 磁场排斥。
在超导体中，磁场会被排斥出材料，这种现象被称为迈斯纳效应。
这种效应被广泛应用于制造磁浮列车、MRI等器件。
4. 超导态可以被磁场破坏。
当超导体处于强磁场中时，其超导态可以被破坏，从而导致电阻出现。
什么是半导体什么是超导体
什么是半导体？什么是超导体？半导体和超导体是材料科学领域中两个重要的概念。
它们在电子学、光电子学和量子科学等领域具有重要的应用。
下面将分别介绍半导体和超导体的基本概念、特性以及应用。
什么是半导体？半导体是一类介于导体和绝缘体之间的材料。
在半导体中，电子的运动介于导体和绝缘体之间，即既有可能导电，也有可能阻断电流。
半导体材料包括硅、锗等，它们通常是单晶体或多晶体的形式。
半导体具有以下特性： - 半导体的导电性取决于温度和施加的电场。
- 在半导体中加入杂质可以改变其导电性质，即形成n型半导体和p型半导体。
- 半导体在电子学、光电子学、半导体器件等领域有广泛的应用，如集成电路、光伏电池等。
什么是超导体？超导体是具有完全零电阻和完全抗磁性的材料。
当超导体降至临界温度以下时，电阻变为零，电流可以无限流动。
超导体的特性由Cooper对称性理论解释，即电子之间形成特定的配对状态。
超导体具有以下特性： - 零电阻：在超导体中电子几乎无阻碍地传导，电阻为零。
- 极强抗磁性：超导体在外加磁场下会产生完全的抗磁效应。
- 临界温度：超导体需要降至低温才能展现超导特性，不同超导体具有不同的临界温度。
应用领域半导体和超导体在现代科学技术中有着广泛的应用：- 半导体应用于集成电路、硅光子学、光伏发电等领域。
- 超导体应用于超导磁悬浮、医学成像、电力输送等领域。
总结：半导体和超导体作为材料科学中重要的两类材料，在电子学和量子科学领域中发挥着关键作用。
深入理解半导体和超导体的特性和应用有助于推动未来科学技术的发展。
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半导体超导体
半导体和超导体是现代电子学和物理学中非常重要的两个概念。
它们分别代表了电子材料中的两种不同的电子行为，即半导体中的电子是部分导体、部分绝缘体，而超导体中的电子则可以在零电阻下流动。
本文将从半导体和超导体的基本概念、性质、应用以及未来发展等方面进行探讨。
一、半导体
半导体是介于导体和绝缘体之间的一类电子材料，其电导率介于导体和绝缘体之间。
半导体中的电子主要是由价带和导带组成的，其中价带是指最高的占据态能级，导带是指最低的未占据态能级。
在半导体中，电子的能量不足以跨越带隙，因此不能自由地流动，但是当半导体受到外部激励（如温度、光照、电场等）时，电子就会跃迁到导带中，从而形成了电流。
半导体的性质和应用非常广泛。
首先，半导体可以用于制作各种电子器件，如晶体管、光电二极管、太阳能电池等。
其次，半导体的导电性质可以通过掺杂来改变，即将一些杂质原子引入半导体中，从而改变电子的能带结构。
这种过程被称为掺杂，掺杂后的半导体被称为杂质半导体，其导电性质可以被有效地控制。
最后，半导体的热电性质也非常重要，即在温度差的作用下，半导体可以产生电势差，这种现象被称为热电效应。
热电材料广泛应用于温度测量、能量转换等领域。
二、超导体
超导体是一类在低温下具有零电阻和完全反射磁场的电子材料。
超导体的电子行为是由库珀对（即由两个电子组成的复合粒子）的相互作用引起的。
当超导体的温度降低到临界温度以下时，库珀对开始形成，电子可以在不受阻碍地流动，形成零电阻。
此外，超导体还具有完全反射磁场的性质，即当磁场作用于超导体时，其内部电流可以产生反向磁场，从而抵消外部磁场的影响。
超导体的性质和应用也非常广泛。
首先，超导体可以用于制造高灵敏度的磁场传感器和磁共振成像设备等。
其次，超导体的零电阻性质可以用于制造高效率的电力输送线路和超导电动机等。
此外，超导体还可以用于制造高能物理实验设备、量子计算机等。
尽管超导体的应用领域非常广泛，但是由于其需要低温环境的限制，其实用性还存在一定的局限性。
三、半导体和超导体的未来发展
随着科学技术的不断发展，半导体和超导体的应用领域也在不断扩大。
未来，半导体和超导体材料将会在能源、信息、医疗等领域发挥越来越重要的作用。
其中，半导体材料将会在新型电池、光电器件、量子计算机等领域得到广泛应用，而超导体材料则将会在高能物理、磁共振成像、超导电动机等领域发挥更加重要的作用。
总之，半导体和超导体是现代电子学和物理学中非常重要的两个概念。
它们分别代表了电子材料中的两种不同的电子行为，即半导体中的电子是部分导体、部分绝缘体，而超导体中的电子则可以在零电阻下流动。
半导体和超导体的性质和应用非常广泛，未来也
将会在能源、信息、医疗等领域发挥越来越重要的作用。