超导体和半导体

PN结的形成过程
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半导体应用
一、在无线电收音机（Radio）及电视机 （Television）中，作为“讯号放大器 /整流 器”用。 二、近来发展「太阳能（Solar Power）」，也用在「光电池（Solar Cell）」 中。 三、半导体可以用来测量温度，测温范 围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教 学等应用的70%的领域，有较高的准确度和 稳定性，分辨率可达0.1℃，甚至达到0.01℃ 也不是不可能，线性度0.2%，测温范围100~+300℃，是性价比极高的一种测温元件。
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超导体的优缺点
• 如果超导体能应用于实际 会降低输电损耗，提高效 率及在其他方面给人类带 来许多好处. • 目前超导体还只应用在科 学实验和高新技术中,这 是因为一般的金属或合金 的超导临界温度都较低.
超导体
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1911年：超导电性的发现 1911年，荷兰科学家卡末林—昂内斯(Heike KamerlinghOnnes)用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时， 水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临 界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超 导材料和低温超导材料[1]。但这里所说的「高温」，其实仍 然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。 1933年 1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果 把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应 线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。 经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个 难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。 1973年 1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度 为23.2K（﹣249.95℃），这一记录保持了近13年。 1986年 1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道 了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K（﹣240.15）的高温 超导性。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出 二硼化镁超导体 现。 1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导 温度达到40K（﹣235.15℃）液氢的“温度壁垒”（40K）被 跨越。
定义
分类
历程、历史
特性
PN结
应用、发展
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半导体定义
材料的电阻率界 于金属与绝缘材料 之间的材料。这种 材料在某个温度范 围内随温度升高而 增加电荷载流子的 浓度，电阻率下降。
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分类
半导体的分类，按照其制造技 术可以分为：
①集成电路器件
②分立器件 ③光电半导体
集 成 电 路 器 件
理想的候选者应该是典型的高温超导晶体，结构尽可能简单，只具有 单铜氧层。困难在于，由于中子与物质的相互作用很弱，只有足够大 的晶体才可能进行中子散射实验。随着中子散射技术的成熟，对晶体 尺寸的要求已降低到0.1厘米3的量级。晶体生长技术的进步，也使 Tl2Ba2CuO6＋δ单晶体的尺寸进入毫米量级，而它正是一个理想的候 选者。科学家把300个毫米量级的Tl2Ba2CuO6＋δ单晶以同一标准按 晶体学取向排列在一起，构成一个“人造”单晶，“提前”达到了中 子散射的要求。经过近两个月散射谱的搜集与反复验证，终于以确凿 的实验数据显示在这样一个近乎理想的高温超导单晶上也存在磁共振 模式。这一结果说明磁共振模式是高温超导的一个普遍现象。而La2－ xSrxCuO4＋δ体系上磁共振模式的缺席只是“普遍”现象的例外，这 可能与其结构的特殊性有关。 关于磁共振模式及其与电子间相互作用的理论和实验研究一直是 高温超导领域的热点之一，上述结果将引起许多物理学家的关注与兴 趣。 20世纪80年代是超导电性的探索与研究的黄金年代。1981年合成 了有机超导体，1986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、 氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4，其临界温度约为35K。由于陶瓷性 金属氧化物通常是绝缘物质，因此这个发现的意义非常重大，缪勒和 柏诺兹因此而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。 1987年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理 学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后研制成临界 温度约为90K的超导材料YBCO（钇钡铜氧）。
1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度 的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随 温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着 温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。 不久， 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接 触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们 熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。 在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与 所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加 一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它 就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有 的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流 效应。 1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导 增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。 半导 体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩──四个伴生效应 的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名 词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出 半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完 成。 很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？ 主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料 相关的问题就难以说清楚。如果感兴趣可以读一下Robert W.Cahn的The coming of Materials Science中关于半导体 的一些说明。 半导体于室温时电导率约在10ˉ10～10000/Ω·cm之间， 纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料 有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体 两大类。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导 体等和本征半导体。
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①电阻率特性 ②导电特性
③光电特性
④负的电阻率温度特性 ⑤整流特性。
半导体电阻率测试仪
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Pn结
PN结的形成：将P型半导体与N型 半导体制作在同一块硅片上，在它们的 交界面就形成PN结。 PN结的特点：具有单向导电性。 扩散运动：物质总是从浓度高的地 方向浓度低的地方运动，这种由于浓度 差而产生的运动称为扩散运动。 PN结的形成过程：如图所示， 将P型半导体与N型半导体制作在同一块 硅片上，在无外电场和其它激发作用下， 参与扩散运动的多子数目等于参与漂移 运动的少子数目，从而达到动态平衡， 形成PN结。
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1988年 1988年初日本研制成临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此， 人类终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。这类 超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因此被称为高温超导体。 自从高温超导材料发现以后，一阵超导热席卷了全球。科学家还发现铊 系化合物超导材料的临界温度可达125K（﹣150.15℃）汞系化合物超导材 料的临界温度则高达135K。如果将汞置于高压条件下，其临界温度将能达 到难以置信的164K。 1997年 1997年，研究人员发现，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时 也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在45K（﹣230.15℃）时具有超导 电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机数据存储中的应用潜力将 是非常巨大的。 2007年 自２００７年１２月开始，中国科学院物理研究所的陈根富博士已投入 到镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备中。今年２月１８日，日本东京工业大学的 细野秀雄教授和他的合作者在《美国化学会志》上发表了一篇两页的文章， 指出氟掺杂镧氧铁砷化合物在零下247.15℃时即具有超导电性。在长期研究 中保持着跨界关注习惯的陈根富和王楠林研究员立即捕捉到了这一消息的价 值，王楠林小组迅速转向制作掺杂样品，他们在一周内实现了超导并测量了 基本物理性质。 几乎与此同时，物理所闻海虎研究组通过在镧氧铁砷材料中用二价金属 锶替换三价的镧，发现有临界温度为零下248.15℃以上的超导电性。 2008年 2008年３月２５日和３月２６日，中国科学技术大学陈仙辉组和物理 所王楠林组分别独立发现临界温度超过零下233.15℃的超导体，突破麦克米 兰极限，证实为非传统超导 2008年３月２９日，中国科学院院士、物理所研究员赵忠贤领导的小组通 过氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达零下２２１.１５℃，４月 初该小组又发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物在压力环境下合成超导临界温度可 进一步提升至零下２１８.１５℃。
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1987年 1987年，美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇－ 钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K（﹣185.15℃）以上， 液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜 －氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K（﹣150.15℃）。从 1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。 来自德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术，在高温超导 体的一个成员单铜氧层Tl2Ba2CuO6＋δ中观察到了所谓的磁共振模式， 进一步证实了这种模式在高温超导体中存在的一般性。该发现有助于对 铜氧化物超导体机制的研究。 高温超导体具有更高的超导转变温度（通常高于氮气液化的温度）， 有利于超导现象在工业界的广泛利用。高温超导体的发现迄今已有16年， 而对其不同于常规超导体的许多特点及其微观机制的研究，却仍处于相 当“初级”的阶段。这一点不仅反映在没有一个单一的理论能够完全描 述和解释高温超导体的特性，更反映在缺乏统一的、在各个不同体系上 普遍存在的“本征”实验现象。本期Science所报道的结果意味着中子散 射领域里一个长期存在的困惑很有可能得到解决。 早在1991年，法国物理学家利用中子散射技术在双铜氧层YBa2Cu3O6 ＋δ超导体单晶中发现了一个微弱的磁性信号。随后的实验证明，这种信 号仅在超导体处于超导状态时才显著增强并被称为磁共振模式。这个发 现表明电子的自旋以某种合作的方式产生一种集体的有序运动，而这是 常规超导体所不具有的。这种集体运动有可能参与了电子的配对，并对 超导机制负责，其作用类似于常规超导体内引起电子配对的晶格振动。 但是，在另一个超导体La2－xSrxCuO4＋δ（单铜氧层）中，却无法观 察到同样的现象。这使物理学家怀疑这种磁共振模式并非铜氧化物超导 体的普遍现象。1999年，在Bi2Sr2CaCu2O8＋δ单晶上也观察到了这种 磁共振信号。但由于Bi2Sr2CaCu2O8＋δ与YBa2Cu3O6＋δ一样，也具 有双铜氧层结构，关于磁共振模式是双铜氧层的特殊表征还是“普遍” 现象的困惑并未得到彻底解决。 回超导体 回目录