2020年高中物理竞赛—普通物理学A版-半导体(共28张PPT) 课件
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满带上带正电的空 穴向下跃迁也形成 电流,称为空穴导电.
电子导电和空穴导 电同时存在,它们统 称为本征导电.
空带 Eg
满带
➢ 电阻率和温度的关系
导体的电阻随温度升高而增大,而半导体的电阻随温 度升高而降低?
电阻率的大小取决于电子浓度和电子迁移率. 当温度升高时,金属导体自由电子浓度不变,但电子热 运动增加,从而定向运动的迁移率变小,电阻率增大. 对半导体,迁移率随温度变化小.载流子浓度随温度增 高而增大,因此使电阻率变小.
这种破坏超导态的最小磁场称为临界磁场,用Hc表示.
Hc
H
0
1
T Tc
2
,
(T Tc )
H Hc(T)
H0为T= 0K时的临界磁场 Hc与温度T的关系如图.
正常态 超导态
Hc的存在限制了超导体中的电流. O
Tc T
因为当超导体有电流后,这电流也将产生磁场而达到Hc .
临界电流与温度的关系:
内局部发生畸变.
畸变可以像波一样传播. 波的传播就是能量子的运动.
此能量子叫声子,是“准粒子”.
形成点阵波的过程相当于电子发射了一个声子. 这传播的畸变区(正电荷)又吸引另一个运动的自由电子.
把能量动量传递给电子, 相当于声子被电子吸收.
上述过程为
电子A 声子
电子B
净效应是两电子交换一个声子,使
声子
dt
S)
=0
当面积S不变,则dB/dt=0 . 即超导体内的磁场不变化.
当存在外磁场时,只要其值小于Hc ,超导体内的H = 0 . 好象穿过超导体的磁场线被排斥出去—迈斯纳效应.
1933年,W.F.Meissner等发
H 现,在使样品转变为超导态时,
H=0
无论是先降温后加磁场,还是
反过来,样品内磁场总是为零.
• 反向偏压
在Ｐ-Ｎ结的ｐ型区接电源 负极,叫反向偏压。
阻挡层势垒增大、变宽，不利 于空穴向Ｎ区运动，也不利于 电子向P区运动,没有正向电流.
但是,由于少数载流子的存 在,会形成很弱反向电流, 称为漏电电流(A级)
当外电场很强,反向电压超 过某一数值后,反向电流会 急剧增大----反向击穿。
E
I
空带
绝缘体 Eg
满带
半导体
空带
Eg
满带
导体
价带
• 导体
价电子所在能带为半满带.相邻能级间隔小,在外电场 作用下,电子很容易从较低能级跃迁到高能级. 大量的共有化电子很易获得能量，集体定向流动形 成电流。
E
从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级 跃迁到高能级上去。
• 绝缘体 在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的 能量，所以形不成电流。 从绝缘体的能带结构看，是因为满带与空带之间有一 个较宽的禁带（Eg 约3～6 eV），共有化电子很难 从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。
具有超导电性的材料叫超导体. 超导体电阻降为零的温度称
为转变温度或临界温度.
R/
0.150
0.100
•
Hg电阻 ••
1913年,他获诺贝尔物理学奖. 提高临界温度成为研究热点.
0.050
0.000 4.00 4.20
< 10-6
4.40 T/K
• 氧化物超导体的转变温度
1973年人们发现了铌三锗(Nb3Ge)的转变温度Tc=23.2K.
p型
n型
E阻
I（微安）
-30 -20
V(伏)
-１０
击穿电压
-２０
反向 -３０
四. 光生伏特效应
当光照射在P-n结上时,光 子会产生电子-空穴对.
e－ + e+
p
+
••
_
° n°
在偶电层内强电场的作用下,
电子将移到n型中,而空穴则
光
移到p型中.从而使p-n结两边分别带上正、负电荷。
这样p-n结就相当于一个电池。
• P-N结处存在电势差UO。
它阻止 P区带正电的空穴 进一步向N区扩散；
P-N结
电势曲线
U0
也阻止 N区带负电的电
子进一步向P区扩散。
电子能级
考虑到P-Ｎ结的存在, 半导 体中电子的能量应考虑进 这内建场带来的电子附加 势能。
eU0
电子的能带出现弯曲现象.
电子电势能曲线
2. P-N结的单向导电性
由光照射,使p-n结产生电动势的现象称光生伏特效应.
利用太阳光照射p-n结产生电池的装置叫太阳能电池.
太阳能电池应用前景十分广泛。
19-13 超导电性 一 超导电现象
1908年,昂内斯(H.Kammerlingh-Onnes)成功地液化了 氦, 从而得到了一个新的低温(4.2K以下).
1911年,他发现在4.2K附近,汞的电阻突然降为零.他把 这种状态叫超导态,或称为超导电性.
的间距约10-23eV。
一般规律：
(1) 越是外层电子，能带越宽，E越大。 (2) 点阵间距越小，能带越宽，E越大。 (3)两个能带有可能重叠。
3 . 能带中电子的排布
固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上.
电子排布原则：
１. 服从泡里不相容原理 ２. 服从能量最小原理 设孤立原子的一个能级 Enl 最多能容纳 2 (2l +1)个电子. 这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后,能带最多能 容纳２Ｎ(2l +1)个电子. 例如，1ｓ、２ｓ能带，最多容纳 2Ｎ个电子。
2020高中物理竞赛
普通物理学A版
19-12 半导体
一 固体的能带
1. 电子共有化 固体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构.
固体中的电子受到周期性势场的作用。
•电子的能量是量子化的;
a
•电子的运动有隧道效应.
原子的外层电子(高能级) 势垒穿透概率较大, 电子 可以在整个固体中运动, 称为共有化电子.
两电子间产生了间接的吸引作用. 电子A
电子B
在一定的低温下,两电子形成束缚电子对,称为库珀对.
2. BCS理论对超导电性的解释
组成库珀对的两个电子的平均距离为10-6m,而晶格间
距约为10-10m. 即库珀对要伸展到数千个原子范围.
库珀对中两电子自旋相反,动量大小相等方向相反.
当T<Tc时,即开始形成库珀对.这时所有库珀对都向同 一方向运动, 导体具有超导电性(电子与晶格碰撞少).
•正向偏压
I
在Ｐ-Ｎ结的p型区接电 源正极，叫正向偏压。
外电场使阻挡层势垒被削 弱、变窄,有利于空穴向N 区运动，电子向P区运动， 形成正向电流（mＡ级）.
外加正向电压越大，正向 电流也越大，而且是呈非 线性的伏安特性(图为锗管)
E
p型
n型
E阻
I （毫安）
３０
正向
２０
１０
0.2 V（伏）
0
1.0
本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间.
•电子导电—载流子是电子
空带
•空穴导电—载流子是空穴
满带上的一个电子跃迁到空 带后,满带中出现一个空位。
相当于产生了一个带正电的粒 子(称为“空穴”),把电子抵消 了.
电子和空穴总是成对出现的。
h
Eg
满带
• 空穴导电
在外电场作用下,
空穴下面能级上的 电子可以跃迁到空 穴上来,这相当于空 穴向下跃迁。
利用半导体材料制成的电阻器,对温度瓜反应敏感, 称为热敏电阻.
热敏电阻有广泛的应用价值.
2. 杂质半导体 (1) n型半导体
四价的本征半导体硅(Si)、锗(Ge)等,掺入少量五价的杂
质元素(如砷As）形成电子型半导体,称 n 型半导体.
Si Si Si Si
空带
ED
Si
P
Si
施主能级 Eg
Si 满带
掺杂后多余的电子的能级在禁 空穴为少数载流子.
带中紧靠空带处, ED～10-2eV， 极易形成电子导电。
电子为多数载流子.
(2) P型半导体 四价的本征半导体硅(Si),掺入少量三价的杂质元素如 硼(Ｂ)形成空穴型半导体,称 p 型半导体.
Si Si Si Si
Si
+
B
Si
Si
空带
受主能级
Eg
这种掺杂后多余的空穴的能 级在禁带中紧靠满带处,Ea ～10-2eV,极易产生空穴导电.
1986年IBM实验室发现了Tc=35K的镧钡铜氧化物.
随后发现了一系列氧化物高温超导材料.
材料
临界 发现年 温度Tc 代
R R0 0.9R0
La-Ba-Cu-O Y-Ba-Cu-O
35K 1986 90K 1987
0.5R0
Bi-Sr-Cu-O 110K 1988
0.1R0
Tl-Ba-Ca-Cu-O 120K 1989
Ic
I
0
1
T Tc
2
,
(T Tc )
I0为T=0K时的临界电流. 超导态有三个临界条件:
Tc ,Hc , Ic .
3.迈斯纳效应——完全抗磁性
超导体的完全抗磁性是超导体的一个更基本的特性.
超导体内任意两点间电势差为零,超导体内不存在电场.
由电磁感应定律
E dl
d
dt
d(B
由于Ｎ区的电子向Ｐ区扩散, Ｐ区的空穴向Ｎ区扩散,
在ｐ型和Ｎ型半导体的交界面附 近产生了一个电场,称为内建场。
内建场阻止电子和空穴进一步 扩散，记作E阻 内建场大到一定程度,不再有净 电荷的流动,达到了新的平衡.
p型
n型
E阻
在P型n型交界面附近形成的这 种特殊构称为P-N结,约0.1m厚.
P-N结
柯林斯(J.Collins)曾将一铅环放在垂直于环面的磁 场中,将其冷却到超导的转变温度以下,然后撤去磁场, 这时环中产生感应电流.
他观察电流的衰减情况,结果在长达两年半时间内 也未曾观测到电流有丝毫的衰减.
所以,超导体是具有理想导电性的导体.
2. 临界磁场与临界电流
1914年昂内斯发现超导态可以被外加磁场转变为正常态.
3.杂质补偿作用
实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主 杂质（浓度na），两种杂质有补偿作用：
若nd na——为n型（施主） 若nd na——为p型（受主） 利用杂质的补偿作用，可以制成P-Ｎ结。
三.Ｐ-Ｎ结
1.Ｐ-Ｎ结的形成
在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂
质, 由于杂质的补偿作用, 该区就成为ｐ型半导体.
•半导体 从半导体的能带结构看,满带与空带之间也是禁带,但
是禁带很窄（E g 约0.1～2 eV )。
•绝缘体与半导体的击穿
当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带 跃迁到上面的空带中的. 都可能变为导体.
二. 本征半导体和杂质半导体
1. 本征半导体（semiconductor）
本征半导体是指纯净的半导体.
当T>Tc时, 库珀对不存在, 电子与晶格碰撞频繁.
四. 超导的应用前景 1.超导强磁技术的应用 (1)用超导体线圈做成电磁体,用在发电机、电动机中. (2) 制成电线作为长距离输电线. (3) 制成用于高速列车的磁悬浮线圈等. 2.超导在电子学中的应用 利用约瑟夫森效应在微电子学上. (1) 超导量子干涉器.可测微弱磁场. (2) 计量测量.可测精确电压和电动势.
满带
Ea
空穴……多数载流子
电子……少数载流子
(3) n型化合物半导体 如化合物砷化镓(GaAs)中掺碲(Te),六价的Te替代五 价的As可形成施主能级,成为n型GaAs杂质半导体.
(4) ｐ型化合物半导体 如化合物砷化镓( GaAs)中掺锌(Zn),二价的Zn替代三 价的Ga可形成受主能级, 成为p型GaAs杂质半导体.
三. 超导电性的BCS理论
1957年巴丁(J.Bardeen)、库珀(L.V.Cooper)、施里弗 （J.R.Schrieffer)提出了超导电性的量子理论.BCS理论.
1. BCS库珀电子对的形成 自由电子在晶体点阵中运动时,
•
•
•
⊝• •
•
•
••••• ••
由于异号电荷的吸引,使晶体
Байду номын сангаас
原子的内层电子与原子核结合较紧,不是共有化电子.
2. 能带(energy band)
量子力学计算表明,固体中若有N个原子,由于 各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一 个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。
• 能带的宽度记作E ，数 量级为 E～eV。
• 若N~1023,则能带中两能级
O Te Tm Ts
T
T
氧化物超导材料的转变温度: Te:完全转变温度.
Ts:起始转变温度.
温度转变宽度T
二. 超导体的主要特性
1. 零电阻率 零电阻率是超导体的一个重要特性.
当超导体的温度不超过临界温度,超导体内的电流 在临界电流Ic下时, 超导体的电阻为零.
若用超导体组成闭合回路,一旦在回路中有电流, 则回路中没有电能的消耗,不需要任何电源的补充能 量,电流可以持续存在下去,形成持久电流.
•••••
•••••
4. 固体的导电性 固体按导电性能的高低可以分为导体、半导体、绝缘体 导体：电阻率在10-8~10-4·m范围内,温度系数为正. 半导体:电阻率在10-4~108·m范围内, 温度系数为负. 绝缘体:电阻率在108~1020·m范围内, 温度系数为负. 它们的导电性能不同,是因为它们的能带结构不同.
2ｐ、３ｐ能带，最多容纳 6Ｎ个电子.
电子排布时，应从最低的能级排起。
有关能带被占据情况的几个名词：
1．满带（排满电子） 2．价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带
3．空带（未排电子） 亦称导带 4．禁带（不能排电子）
E 空带
导带
价带 (非满带)
Eg 禁带
•• •
导带
价带 (满带)
Eg 禁带
电子导电和空穴导 电同时存在,它们统 称为本征导电.
空带 Eg
满带
➢ 电阻率和温度的关系
导体的电阻随温度升高而增大,而半导体的电阻随温 度升高而降低?
电阻率的大小取决于电子浓度和电子迁移率. 当温度升高时,金属导体自由电子浓度不变,但电子热 运动增加,从而定向运动的迁移率变小,电阻率增大. 对半导体,迁移率随温度变化小.载流子浓度随温度增 高而增大,因此使电阻率变小.
这种破坏超导态的最小磁场称为临界磁场,用Hc表示.
Hc
H
0
1
T Tc
2
,
(T Tc )
H Hc(T)
H0为T= 0K时的临界磁场 Hc与温度T的关系如图.
正常态 超导态
Hc的存在限制了超导体中的电流. O
Tc T
因为当超导体有电流后,这电流也将产生磁场而达到Hc .
临界电流与温度的关系:
内局部发生畸变.
畸变可以像波一样传播. 波的传播就是能量子的运动.
此能量子叫声子,是“准粒子”.
形成点阵波的过程相当于电子发射了一个声子. 这传播的畸变区(正电荷)又吸引另一个运动的自由电子.
把能量动量传递给电子, 相当于声子被电子吸收.
上述过程为
电子A 声子
电子B
净效应是两电子交换一个声子,使
声子
dt
S)
=0
当面积S不变,则dB/dt=0 . 即超导体内的磁场不变化.
当存在外磁场时,只要其值小于Hc ,超导体内的H = 0 . 好象穿过超导体的磁场线被排斥出去—迈斯纳效应.
1933年,W.F.Meissner等发
H 现,在使样品转变为超导态时,
H=0
无论是先降温后加磁场,还是
反过来,样品内磁场总是为零.
• 反向偏压
在Ｐ-Ｎ结的ｐ型区接电源 负极,叫反向偏压。
阻挡层势垒增大、变宽，不利 于空穴向Ｎ区运动，也不利于 电子向P区运动,没有正向电流.
但是,由于少数载流子的存 在,会形成很弱反向电流, 称为漏电电流(A级)
当外电场很强,反向电压超 过某一数值后,反向电流会 急剧增大----反向击穿。
E
I
空带
绝缘体 Eg
满带
半导体
空带
Eg
满带
导体
价带
• 导体
价电子所在能带为半满带.相邻能级间隔小,在外电场 作用下,电子很容易从较低能级跃迁到高能级. 大量的共有化电子很易获得能量，集体定向流动形 成电流。
E
从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级 跃迁到高能级上去。
• 绝缘体 在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的 能量，所以形不成电流。 从绝缘体的能带结构看，是因为满带与空带之间有一 个较宽的禁带（Eg 约3～6 eV），共有化电子很难 从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。
具有超导电性的材料叫超导体. 超导体电阻降为零的温度称
为转变温度或临界温度.
R/
0.150
0.100
•
Hg电阻 ••
1913年,他获诺贝尔物理学奖. 提高临界温度成为研究热点.
0.050
0.000 4.00 4.20
< 10-6
4.40 T/K
• 氧化物超导体的转变温度
1973年人们发现了铌三锗(Nb3Ge)的转变温度Tc=23.2K.
p型
n型
E阻
I（微安）
-30 -20
V(伏)
-１０
击穿电压
-２０
反向 -３０
四. 光生伏特效应
当光照射在P-n结上时,光 子会产生电子-空穴对.
e－ + e+
p
+
••
_
° n°
在偶电层内强电场的作用下,
电子将移到n型中,而空穴则
光
移到p型中.从而使p-n结两边分别带上正、负电荷。
这样p-n结就相当于一个电池。
• P-N结处存在电势差UO。
它阻止 P区带正电的空穴 进一步向N区扩散；
P-N结
电势曲线
U0
也阻止 N区带负电的电
子进一步向P区扩散。
电子能级
考虑到P-Ｎ结的存在, 半导 体中电子的能量应考虑进 这内建场带来的电子附加 势能。
eU0
电子的能带出现弯曲现象.
电子电势能曲线
2. P-N结的单向导电性
由光照射,使p-n结产生电动势的现象称光生伏特效应.
利用太阳光照射p-n结产生电池的装置叫太阳能电池.
太阳能电池应用前景十分广泛。
19-13 超导电性 一 超导电现象
1908年,昂内斯(H.Kammerlingh-Onnes)成功地液化了 氦, 从而得到了一个新的低温(4.2K以下).
1911年,他发现在4.2K附近,汞的电阻突然降为零.他把 这种状态叫超导态,或称为超导电性.
的间距约10-23eV。
一般规律：
(1) 越是外层电子，能带越宽，E越大。 (2) 点阵间距越小，能带越宽，E越大。 (3)两个能带有可能重叠。
3 . 能带中电子的排布
固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上.
电子排布原则：
１. 服从泡里不相容原理 ２. 服从能量最小原理 设孤立原子的一个能级 Enl 最多能容纳 2 (2l +1)个电子. 这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后,能带最多能 容纳２Ｎ(2l +1)个电子. 例如，1ｓ、２ｓ能带，最多容纳 2Ｎ个电子。
2020高中物理竞赛
普通物理学A版
19-12 半导体
一 固体的能带
1. 电子共有化 固体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构.
固体中的电子受到周期性势场的作用。
•电子的能量是量子化的;
a
•电子的运动有隧道效应.
原子的外层电子(高能级) 势垒穿透概率较大, 电子 可以在整个固体中运动, 称为共有化电子.
两电子间产生了间接的吸引作用. 电子A
电子B
在一定的低温下,两电子形成束缚电子对,称为库珀对.
2. BCS理论对超导电性的解释
组成库珀对的两个电子的平均距离为10-6m,而晶格间
距约为10-10m. 即库珀对要伸展到数千个原子范围.
库珀对中两电子自旋相反,动量大小相等方向相反.
当T<Tc时,即开始形成库珀对.这时所有库珀对都向同 一方向运动, 导体具有超导电性(电子与晶格碰撞少).
•正向偏压
I
在Ｐ-Ｎ结的p型区接电 源正极，叫正向偏压。
外电场使阻挡层势垒被削 弱、变窄,有利于空穴向N 区运动，电子向P区运动， 形成正向电流（mＡ级）.
外加正向电压越大，正向 电流也越大，而且是呈非 线性的伏安特性(图为锗管)
E
p型
n型
E阻
I （毫安）
３０
正向
２０
１０
0.2 V（伏）
0
1.0
本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间.
•电子导电—载流子是电子
空带
•空穴导电—载流子是空穴
满带上的一个电子跃迁到空 带后,满带中出现一个空位。
相当于产生了一个带正电的粒 子(称为“空穴”),把电子抵消 了.
电子和空穴总是成对出现的。
h
Eg
满带
• 空穴导电
在外电场作用下,
空穴下面能级上的 电子可以跃迁到空 穴上来,这相当于空 穴向下跃迁。
利用半导体材料制成的电阻器,对温度瓜反应敏感, 称为热敏电阻.
热敏电阻有广泛的应用价值.
2. 杂质半导体 (1) n型半导体
四价的本征半导体硅(Si)、锗(Ge)等,掺入少量五价的杂
质元素(如砷As）形成电子型半导体,称 n 型半导体.
Si Si Si Si
空带
ED
Si
P
Si
施主能级 Eg
Si 满带
掺杂后多余的电子的能级在禁 空穴为少数载流子.
带中紧靠空带处, ED～10-2eV， 极易形成电子导电。
电子为多数载流子.
(2) P型半导体 四价的本征半导体硅(Si),掺入少量三价的杂质元素如 硼(Ｂ)形成空穴型半导体,称 p 型半导体.
Si Si Si Si
Si
+
B
Si
Si
空带
受主能级
Eg
这种掺杂后多余的空穴的能 级在禁带中紧靠满带处,Ea ～10-2eV,极易产生空穴导电.
1986年IBM实验室发现了Tc=35K的镧钡铜氧化物.
随后发现了一系列氧化物高温超导材料.
材料
临界 发现年 温度Tc 代
R R0 0.9R0
La-Ba-Cu-O Y-Ba-Cu-O
35K 1986 90K 1987
0.5R0
Bi-Sr-Cu-O 110K 1988
0.1R0
Tl-Ba-Ca-Cu-O 120K 1989
Ic
I
0
1
T Tc
2
,
(T Tc )
I0为T=0K时的临界电流. 超导态有三个临界条件:
Tc ,Hc , Ic .
3.迈斯纳效应——完全抗磁性
超导体的完全抗磁性是超导体的一个更基本的特性.
超导体内任意两点间电势差为零,超导体内不存在电场.
由电磁感应定律
E dl
d
dt
d(B
由于Ｎ区的电子向Ｐ区扩散, Ｐ区的空穴向Ｎ区扩散,
在ｐ型和Ｎ型半导体的交界面附 近产生了一个电场,称为内建场。
内建场阻止电子和空穴进一步 扩散，记作E阻 内建场大到一定程度,不再有净 电荷的流动,达到了新的平衡.
p型
n型
E阻
在P型n型交界面附近形成的这 种特殊构称为P-N结,约0.1m厚.
P-N结
柯林斯(J.Collins)曾将一铅环放在垂直于环面的磁 场中,将其冷却到超导的转变温度以下,然后撤去磁场, 这时环中产生感应电流.
他观察电流的衰减情况,结果在长达两年半时间内 也未曾观测到电流有丝毫的衰减.
所以,超导体是具有理想导电性的导体.
2. 临界磁场与临界电流
1914年昂内斯发现超导态可以被外加磁场转变为正常态.
3.杂质补偿作用
实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主 杂质（浓度na），两种杂质有补偿作用：
若nd na——为n型（施主） 若nd na——为p型（受主） 利用杂质的补偿作用，可以制成P-Ｎ结。
三.Ｐ-Ｎ结
1.Ｐ-Ｎ结的形成
在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂
质, 由于杂质的补偿作用, 该区就成为ｐ型半导体.
•半导体 从半导体的能带结构看,满带与空带之间也是禁带,但
是禁带很窄（E g 约0.1～2 eV )。
•绝缘体与半导体的击穿
当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带 跃迁到上面的空带中的. 都可能变为导体.
二. 本征半导体和杂质半导体
1. 本征半导体（semiconductor）
本征半导体是指纯净的半导体.
当T>Tc时, 库珀对不存在, 电子与晶格碰撞频繁.
四. 超导的应用前景 1.超导强磁技术的应用 (1)用超导体线圈做成电磁体,用在发电机、电动机中. (2) 制成电线作为长距离输电线. (3) 制成用于高速列车的磁悬浮线圈等. 2.超导在电子学中的应用 利用约瑟夫森效应在微电子学上. (1) 超导量子干涉器.可测微弱磁场. (2) 计量测量.可测精确电压和电动势.
满带
Ea
空穴……多数载流子
电子……少数载流子
(3) n型化合物半导体 如化合物砷化镓(GaAs)中掺碲(Te),六价的Te替代五 价的As可形成施主能级,成为n型GaAs杂质半导体.
(4) ｐ型化合物半导体 如化合物砷化镓( GaAs)中掺锌(Zn),二价的Zn替代三 价的Ga可形成受主能级, 成为p型GaAs杂质半导体.
三. 超导电性的BCS理论
1957年巴丁(J.Bardeen)、库珀(L.V.Cooper)、施里弗 （J.R.Schrieffer)提出了超导电性的量子理论.BCS理论.
1. BCS库珀电子对的形成 自由电子在晶体点阵中运动时,
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⊝• •
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由于异号电荷的吸引,使晶体
Байду номын сангаас
原子的内层电子与原子核结合较紧,不是共有化电子.
2. 能带(energy band)
量子力学计算表明,固体中若有N个原子,由于 各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一 个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。
• 能带的宽度记作E ，数 量级为 E～eV。
• 若N~1023,则能带中两能级
O Te Tm Ts
T
T
氧化物超导材料的转变温度: Te:完全转变温度.
Ts:起始转变温度.
温度转变宽度T
二. 超导体的主要特性
1. 零电阻率 零电阻率是超导体的一个重要特性.
当超导体的温度不超过临界温度,超导体内的电流 在临界电流Ic下时, 超导体的电阻为零.
若用超导体组成闭合回路,一旦在回路中有电流, 则回路中没有电能的消耗,不需要任何电源的补充能 量,电流可以持续存在下去,形成持久电流.
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4. 固体的导电性 固体按导电性能的高低可以分为导体、半导体、绝缘体 导体：电阻率在10-8~10-4·m范围内,温度系数为正. 半导体:电阻率在10-4~108·m范围内, 温度系数为负. 绝缘体:电阻率在108~1020·m范围内, 温度系数为负. 它们的导电性能不同,是因为它们的能带结构不同.
2ｐ、３ｐ能带，最多容纳 6Ｎ个电子.
电子排布时，应从最低的能级排起。
有关能带被占据情况的几个名词：
1．满带（排满电子） 2．价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带
3．空带（未排电子） 亦称导带 4．禁带（不能排电子）
E 空带
导带
价带 (非满带)
Eg 禁带
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导带
价带 (满带)
Eg 禁带