超导体和半导体

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,特殊的导体,组长：茹斯坦木,组员：马翔宇、达尼亚、,李泽宇、艾克拜江、,罗义鹏,目录,为了了解大家,对半导体、,超导体的认识，,所以我们对,老师同学们进行,了问卷调查,（共100人）,回目录,项目,人数,知道超导、半导体,56,知道其历史,32,知道其分类,19,知道其优缺点,15,知道其应用,9,统计如下,对于上面这种情况，我们小组并不惊讶，因为我们也不了解半导体、超导体，于是我们对其进行研究。,回目录,半导体,回目录,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。,那什么是半导体呢？,回目录,回半导体,分类,半导体的分类，按照其制造技术可以分为：,集成电路器件,分立器件,光电半导体,逻辑,IC,、模拟,IC,储存器,此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照,IC,、,LSI,、,VLSI,（超大,LSI,）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。,集成电路器件,储存器,硬盘,回目录,回半导体,半导体历史,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,1010,10000/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。,回目录,回半导体,电阻率特性,导电特性,光电特性,负的电阻率温度特性,整流,特性。,半导体五大特性,半导体电阻率测试仪,回目录,回半导体,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。,PN,结的形成过程,回目录,回半导体,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。,半导体行业的发展,世界,半导体行业,巨头纷纷到国内投资，整个半导体行业快速发展，这也要求材料业要跟上半导体行业发展的步伐。可以说，市场发展为半导体支撑材料业带来前所未有的发展机遇。,电视讯号放大器,回目录,回半导体,超导体,超导体,回目录,超导体的概念,一些物质当温度下降到某一温度时，电阻会变为零，这种现象叫做超导现象,.,能够发生超导现象的物质，叫做超导体,.,回目录,回超导体,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,回目录,回超导体,1911,年：超导电性的发现,1911,年,，荷兰科学家卡末林,昂内斯,(Heike Kamerlingh-Onnes),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。,二硼化镁,超导体,历史,回目录,回超导体,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,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,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,（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,单晶上也观察到了这种磁共振信号。但由于,Bi2Sr2CaCu2O8,与,YBa2Cu3O6,一样，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。,回目录,回超导体,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,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,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,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）。,回目录,回超导体,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,自年月开始，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。今年月日，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,年月日和月日，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,年月日，,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,.,，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,.,。,具有二维超导层的层状“,111”,型铁基超导结构,回目录,回超导体,广阔的超导应用,高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：,大电流应用（强电应用）,电子学应用（弱电应用）,抗磁性应用。,大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；电子学应用包括,超导计算机,、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于,磁悬浮列车,和热核聚变反应堆等。,回目录,回超导体,我国第一条磁悬浮列车试验线在长沙建成通车,超导磁悬浮列车,超导磁悬浮,列车利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。,我国磁悬浮列车驾驶室和车厢内部,回目录,回超导体,超导磁体计算机,超导磁体,计算机,高速计算机要求,集成电路芯片,上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是,超大规模集成电路,面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的,超导器件,来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用,半导体,和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。,核聚变反应堆“磁封闭体”,核聚变,反应堆“磁封闭体”核聚变反应时，内部温度高达,1,亿,2,亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为,21,世纪前景广阔的,新能源,。,超导磁体计算机,回目录,回超导体,在科技之路上，,有许许多多的未知的东西，,这需要我们的探索，,所以要好好学习，,天天向上！,谢谢观看,