半导体及其应用超导及其应用
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。
高中物理人教大纲版第二册：14.3 半导体及其应用(备课资料)
●备课资料晶体管与半导体科学技术的发展在20世纪的100年中，物理学的研究有了飞速的发展。
世纪初相对论和量子力学两大现代物理学支柱的建立，对物理学乃至整个自然科学的发展奠定了重要基础.激光科学、核科学、半导体科学等学科的发展无不与现代物理学的发展密切相关.就半导体科学技术而言，它以现代物理学的发展作为重要支撑，以第一只晶体管的发明作为重要契机，50多年来半导体科学与技术的迅速发展对全球的技术进步和经济发展起着重要作用。
众所周知,支撑IT产业发展的核心是半导体技术的快速发展，正是有了超大规模的集成电路，才有了我们今天各种现代化的高智能仪器和设备,才有了Internet和Web,才有了当今世界经济的大发展。
可以说半导体科学技术的发展与全球经济的发展紧密相关，它成为20世纪中后期发展最迅速、运用最广泛、影响最深远的一项高新技术，充分体现了科学技术是第一生产力.1。
从电子管到晶体管1947年12月16日是一个值得纪念的日子，这一天第一只晶体管诞生在美国著名的贝尔实验室，相对于电子器件的前辈-—电子管来说，晶体管的发明无疑是电子器件中的一场革命，此后半导体晶体管逐步取代电子管，使科学技术跃上了新的更高的层次.二次大战的爆发，对新的电子器件的需求更加迫切，在现实面前，寻找更好的电子器件来弥补电子管的不足摆到了重要的地位.在这种背景下，半导体的作用开始凸现，在研究新的半导体电子器件的工作中，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿发挥了重要作用。
肖克利在20世纪30年代就曾指出：只有通过研究半导体，以半导体作为新的电子器件的材料,才有可能实现研制新电子器件的突破.1947年12月16日,巴丁和布拉顿在一块锗半导体上成功地实现了电流放大,这是第一只半导体晶体管.1949年肖克利提出P-N结理论，1950年试制出第一只P—N结晶体管.从而开辟了电子器件的新纪元.1956年12月10日，发明晶体管的三位美国科学家肖克利、巴丁和布拉顿被授予诺贝尔物理学奖，他们是当之无愧的.2.从分列半导体元件到超大规模集成电路现代电子学和半导体技术二者都是在晶体管的发明后开始的.10多年之后，集成电路问世,这些关键性事件导致了电子技术革命。
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 =。
凝聚态物理中的超导机制及其应用
凝聚态物理中的超导机制及其应用随着科学技术的发展，人类对于物质的认识也变得越来越深入。
凝聚态物理是物理学中的重要分支，研究的是微观尺度下，物质在各种条件下的状态和性质。
其中，超导现象是凝聚态物理中的经典问题之一。
本文将对凝聚态物理中的超导机制及其应用进行阐述。
1. 超导基本概念超导是指物质在特定条件下，在电流通过时不会出现电阻的现象。
这种现象首先由荷兰物理学家海克·鲁特在1911年发现。
他把金属冷却到近绝对零度的温度下，发现金属电阻陡然下降，当达到某个临界温度以下时，其电阻变为零。
这是他所发现的一种新的电性质，即超导效应。
2. 超导机制及类型超导现象的产生原因和机制被称为超导理论。
目前，已经有几种理论可以解释超导现象，最有名的是BCS理论、Bogoliubov理论和Ginzburg-Landau理论。
BCS理论是由约翰·巴丹（John Bardeen）、林纳斯·科普（Leon Cooper）和约翰·施里弗（Robert Schrieffer）在1957年提出的。
这个理论说明了超导现象是由电子间的相互作用导致的。
在超导态下，电子将形成相互作用的电子对，称为“库珀对”。
这种相互作用来源于电子和晶格的相互作用。
Bogoliubov理论是针对超导体在外部电场作用下的物理性质。
这个理论来源于由S.N. Bogoliubov在1947年提出的关于Bose凝聚的理论。
在超导态下，Bogoliubov理论提供了一个描述相互作用电子和库珀对的框架。
Ginzburg-Landau理论是对超导现象的一个微观描述，也是针对超导态下的电子和库珀对的电动力学行为的描述。
该理论是由列夫·金斯堡（Lev Landau）和维塔利·金斯堡（Evgeny Lifshitz）于1950年代初提出的。
根据不同材料的物理性质，可以将超导体分为两种类型：第一类超导体和第二类超导体。
超导材料及其应用前景
超导材料及其应用前景超导材料是一种能够在超低温下表现出完美的电学性质的物质，具有零电阻和完全反射等独特的特性。
在过去的几十年中，超导材料已经得到了广泛的研究和应用。
本文将介绍超导材料的基本概念，主要研究进展和未来发展方向。
一、超导材料的基本概念超导材料是指在低温下，其内部的电阻为零的材料。
这种材料被称为超导体。
超导材料的超导性质是由其电子在材料中形成的库珀对的运动而产生的。
在超导体中，电阻率随温度下降而迅速降低，在绝对温度为零时，电阻率几乎为零，电流可以在其中永久流动。
超导体可以分为低温超导材料和高温超导材料两类。
低温超导材料：低温超导材料是指在液氦的温度下才能表现出超导性质的材料。
目前，低温超导材料主要是铁系和铜氧化物基础材料，如YBa2 Cu3 O7和Bi2Sr2CaCu2O8等。
低温超导材料容易制备，但是需要对低温环境进行特殊处理，成本较高，应用领域受到限制。
高温超导材料：高温超导材料是指在相对较高的温度（液氮温度，77K）下就能表现出超导性质的材料。
高温超导材料的研发始于1986年，在短时间内就出现了一批有希望的材料。
目前，最为常见的高温超导材料是铜氧化物，如La2-xSrxCuO4、YBa2Cu3O7等。
高温超导材料的制备难度大，但是可以在常温下加以使用，应用范围广泛。
二、超导材料主要研究进展1. 外延生长技术超导体材料通常采用外延生长技术制备。
该技术可在一定温度下将超导体材料的主要成分沉积在晶体基底上，形成厚的多晶超导体薄膜。
外延生长的超导体薄膜可以制备大面积的高质量超导体，为制备超导电子器件提供了技术保障。
2. 超导电子器件超导材料的应用已经从基础科学领域拓展到了各个领域，如电力系统、电子学、物理学、材料科学等。
超导电子器件是指利用超导体特殊的描述方式设计和制造的电子器件。
如超导电流计、超导放大器、超导微波电路等。
超导电子器件的问世，为高灵敏度磁感应计量、高精度正弦波产生等领域的研究提供了技术保障。
九年级物理《半导体超导现象》优秀教学案例
一、案例背景
在九年级物理课程中，半导体与超导现象作为现代物理学的重要组成部分，对于培养学生的科学素养和探索精神具有重要意义。本教学案例旨在通过引导学生探究半导体与超导现象，使学生在掌握基本物理知识的基础上，激发他们对科学研究的兴趣。在教学过程中，结合课本内容，以生活实例为切入点，让学生了解半导体的特性及其在电子器件中的应用，同时引入超导现象，探讨其在未来科技发展中的潜力。通过本节课的学习，学生不仅能深入理解物理学科的核心概念，还能提高观察、思考、创新等综合能力，为培养新时代的创新型人才奠定基础。
3.阐述超导现象的基本原理，引导学生了解超导材料的零电阻和完全抗磁性特点。
4.讲解超导临界温度的概念，介绍目前超导材料研究的最新进展。
（三）学生小组讨论
1.将学生分成小组，让他们讨论以下问题：
-半导体材料在电子产品中的应用有哪些？
- PN结的特性如何影响半导体器件的工作？
-超导现象在实际应用中有哪些优势？
2.教师对学生的学习过程和结果进行全面评价，关注学生的知识掌握、技能运用、情感态度等方面。
3.创设多元化的评价方式，如口头提问、书面作业、小组报告等，让学生在评价中收获成长。
4.定期组织学生进行总结交流，分享学习心得和经验，提高教学效果。
四、教学内容与过程
（一）导入新课
1.通过展示生活中常见的半导体产品，如手机、电脑等，引发学生对半导体的好奇心，为新课的学习营造兴趣氛围。
2.提问：“为什么这些电子产品中都要用到半导体材料？”让学生思考并回答，激发学生探究半导体特性的欲望。
3.介绍超导现象，展示超导磁悬浮列车等应用实例，使学生感受到超导技术的神奇，为新课的学习奠定基础。
（二）讲授新知
半导体超导体及其应用习题精选
第三节第四节半导体超导体及其应用习题精选1．街道旁的路灯、江海里的航标灯都要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实行了自动控制，这是利用半导体的（）A．压敏性B．光敏性C．热敏性D．三种特性都利用了2．(1)实验表明，某些导体当温度降低到某一定值时，其电阻突然降为零这种现象叫做现象．这一特定温度称为转变温度，其值与导体材料有关．(2)将某种液态物质倒入金属盘后，能使金属盘达到转变温度，在金属盘上方放一永磁体，当它下落到盘上方某一位置时即产生磁悬浮现象．试根据下表列出的几种金属的转变温度和几种液态物质的沸点数据，判断所倒入的液态物质应是，金属盘的材料应是．金属转变温度(K) 液态物质沸点(K)铱0．14 液氦4．1锌0．75 液氮77．0铝1．20 液氧90．0锡3．72 液态甲烷111．5铅7．20 液态二氧化碳194．5(3)试分析说明产生磁悬浮现象的原因．(4)利用上述现象，人们已经设计制成磁悬浮高速列车．列车车厢下部装有电磁铁，运动所需槽形导轨的底部和侧壁装有线圈，用以提供．这种列车的运行速度是一般列车运行速度的3～4倍，能达到这样高速的原因是．课外练习基础题3．若常温下的超导体能研制成功，它适于做以下哪些元件（）A．保险丝B．输电线C．电炉丝D．电磁铁4．半导体温度计是用热敏电阻制造的，如图14—14所示，如果待测点的温度升高，那么（）A．热敏电阻变大，灵敏电流表示数变大B．热敏电阻变大，灵敏电流表示数变小C．热敏电阻变小，灵敏电流表示数变大D．热敏电阻变小，灵敏电流表示数变小提高题5．2000年诺贝尔物理学奖授予为现代信息技术作出贡献的三位科学家，这是为了表彰他们为信息技术所作出的基础性研究成果，特别是他们发明的快速晶体管、激光二极管和集成电路(芯片)．与该奖项相关的基础知识，下列说法正确的是（）A．晶体管由半导体材料制成B．激光二极管具有电流放大作用C．集成电路的广泛使用，使电子设备体积小型化，功能多样化D．现代信息技术的发展与物理学新发现密切相关6．超导是当今高科技的热点之一．当一块磁体靠近超导体时，超导体中会产生强大的电流，对磁体有排斥作用．这种排斥作用可使磁体悬浮在空中．磁悬浮列车就采用了这项技术．磁体悬浮的原理是（）①超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相同②超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相反③超导体使磁体处于失重状态④超导体对磁体的斥力与磁体的重力相平衡A．①③B．①④C．②③D．②④探究题7．在超低温条件下，物质的许多性质会发生意想不到的变化．荷兰科学家昂尼斯1908年首次将氦液化，获得了1.5K 左右的低温，并于1911年通过实验发现了4.2K左右汞的超导导电状态，因此获得了1913年诺贝尔物理学奖．爱因斯坦曾预言，如果将某些特定原子气体冷却到非常低的温度，那么所有原子会突然以可能的最低能态凝聚，其过程就像在气体中形成液滴，这就是著名的“玻色-爱因斯坦凝聚”．1995年，美国科学家康奈尔和维曼终于在比绝对零度高出千万分之二度的超低温度下，使约2000个铷原子形成了“玻色—爱因斯坦凝聚”，同时德国科学家克特勒独立地用钠原子进行实验，也获得了同样的成功．因此这三位科学家共同获得2001年诺贝尔物理学奖．请仔细阅读以上文字，并回答下列问题：(1)超导材料电阻降为零的温度称为转变温度，1987年我国科学家制成转变温度为90K的高温超导体．其转变温度对应的摄氏温度为多少?(2)利用超导材料零电阻的性质，可实现无损耗输电．现有一直流电路，输电线的总电阻为0．4n，它提供给用电器的电功率为40kW，电压为800V．如果用临界温度以下的超导电缆替代原来的输电线，保持供给用电器的功率和电压不变，那么节约的电功率为多少?答案：1.B2.（1）超导体（2）液氦，铅（3）超导体具有抗磁性，对永磁体产生的磁作用与其重力平衡时即悬浮状态（4）强磁场，阻力极小3.B、D4.C5.A 、C 、D6.D7.－183℃；1kw分析：（1）由T ＝和＋273得，t=T －273＝（90－273）℃＝－183℃。
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4.2K 23K
35K
1987年2月
1992年初
美、中
钇钡铜氧化 物
90K 125K
1、优越的超导电机
普通发电机组中的材料载流量十分有限， 由于电路中有电阻，总要发热，因此既不 经济又不安全。用超导体制造电机，完全 不发热，可以提高载流量，据专家计算， 用超导体制作电机，功率可以提高几十倍。
2、省电的超导电路
3.晶体管
在纯净的半导体材料中参入微量杂质， 会使半导体的导电性能大大增强。
如：在单晶硅中参入百分之一的某种杂质（磷或 硼），其电阻率几乎可以下降一万倍
制成晶体二极管和三极管
2.1.3 半导体二极管 一、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半 导体二极管。
PN结
二极管的电路符号：
P N
面接触型
把超导体应用于计算机将会迎来科学史上 的一次重大革命。理论研究表明：应用约 瑟夫森效应制成超导器件，其开关速度可 以比当前使用的半导体集成电路快十几~二 十几倍，而且它消耗的电能只有现在普通 计算机的1% 。
4、神速的超导计算机
5、超导磁悬浮列车 在超导磁悬浮列车的研究中走在最前 列十日本。1962年，日本着手设计磁悬 浮列车，但当时是利用正常导体产生 的磁场时速达到307.8km/h ，1997年， 日本又试制了超导磁悬浮列车，关键 部分是由两组超导电磁铁构成的，它 们能提供极强的磁场，使列车的速度 达到500km/h 。
普通的电路由于输电线的耗能严重，必须 经过升压、降压的程序，而且也不可能作 到完全不损耗。超导体导线则能完全解决 这个问题。
优越的超导电机
3、精密的超导仪器
一些精密的仪器，如核磁共振仪、电 子显微镜等对磁场有非常严格的要求 （强度要高、稳定性要高、磁感线分 布要理想，有时还要求很大的尺寸）， 普通的材料很难达到要求，超导则能 解决这个问题。
R(ohm)
150
100
50
0 0 50 100 150 200 250 300 350
超导现象 大多数金属在温度降到某一数值时，都会出现电 阻突然降为零的现象 转变温度： 导体由常态转变成超导状态的温度，用TC表示。
二、超导的历史
年份 1911 至1986上半 年 1986年7月 镧钡铜氧化 物 科学家 （荷）昂 尼斯 材料 汞 转变温度TC
半导体：另有一类物质的导电特 性处于导体和绝缘体之间，且电 阻随温度的增加而减小，这样的 材料称为半导体。 如：锗、硅、砷化镓和一些硫化 物、氧化物等。 三者之间没有绝对的界限
1、热敏性（热敏电阻） 半导体材料的电阻随温度升高减小。 如：自动防火报警器、电子测量仪中的热敏电阻。 2、光敏性（光敏电阻） 在光照下电阻大大减小。 如：照相机自动测光、光电控制、室内光线控制。
、
ห้องสมุดไป่ตู้
二极管的单向导电性
发光二极管
§1.4 半导体三极管
1.4.1 基本结构
NPN型
C N P N E
发射极 集电极 集电极
C P N P E
PNP型
B
基极
B
基极
发射极
三极管的放大性
集成电路的制成
半导体照明
LED发光模组产品
LED照明产品
1956年诺贝尔物理学奖巴丁,肖克 莱,布拉坦（研制成晶体管）
三、半导体超导及其应用
一 导体、半导体和绝缘体
导体：自然界中很容易导电的物质称为导
体，金属一般都是导体。 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，
金属导体电阻率约为10-8Ω·ｍ~10-6Ω·ｍ 半导体的电阻率约为10-5Ω·m~106Ω·ｍ 绝缘体的电阻率约为108Ω·m~1018Ω·ｍ
半导体材料在目前的电子工业和微 电子工业中主要用来制作晶体管、
零电阻特性
1913年获得诺 贝尔物理学奖
300
Tl-2212
250 200
1908 年荷兰 Leiden 大学的 Kamerling Onnes 小组将 He 液 化，1911年测量水银 Hg 的电阻 温度曲线时发现在 4.2 K （零 下269度） 左右电阻突然消失。 此性质被命名为超导性。随后发 现了大批的单元素金属超导体。