2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体的其他特征和应用

半导体的其他特征和应用 半导体的其他特征和应用 热敏电阻 半导体的电阻随温度的升高而指数下降,导电性能随温度变化十分灵敏。 热敏电阻体积小、热惯性小、寿命长 光敏电阻 在可见光照射下,半导体硒的电阻随光强增加而急剧减小,但要求照射光的频率大于红限频率。 在p-n结的p型区接电源负极,n区接正极。 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。 U(伏) I (微安) p型 n型 将两种不同的半导体组成回路,两个接头处于不同温度,回路中将产生温差电动势。 n型 p型 热端 冷端 负载 电流 电流 电势差增加,半导体内电场也增强,阻止载流子扩散,最后达到平衡。 通常条件下导线有电阻,因而大量电能浪费在传输过程中;流体在流动过程中自身会产生阻力,因而原油在输油管中流动需要外界提供动力。很多人会想到,如果电流传输、流体流动没有阻力该多好。 电子在导体中定向移动形成电流,电子在原子间移动时,由于电子与原子核间的电磁力的作用,会引起原子振动,这就是电阻的成因。大量原子振动在宏观上表现为导体发热,到达一定程度可使导体熔化。电焊、电切割利用的就是这一原理。流体流动时产生的阻力实质上是流体分子之间存在的吸引、碰撞等相互作用造成的。要消除电流和流体传输中的阻力,就必须在微观粒子特性上想办法。 1911年,荷兰科学家卡麦林·昂内斯发现,汞在4.2K时,其电阻会突然消失。他称之为“超导电性”,并因之获得1913年诺贝尔物理学奖。 对这一奇妙的现象,直到1957年科学家才作出较为成功的理论解释。美国物理学家巴丁、库珀和施里弗提出,超导体中存在着电子对,这些电子对可以平稳地通过由失去部分电子的原子所组成的通道,不会引起原子振动,即为超导现象。这三位科学家因此而获得1972年的诺贝尔物理学奖。 后来科学家发现存在着两种超导体。一种称为I型超导体,主要是金属超导体。它对磁场有着屏蔽作用,也就是说磁场无法进入超导体内部。如果外部磁场过强,就会破坏超导体的超导性能。另一种称为II型超导体,主要是合金和陶瓷超导体。它允许磁场通过(部分屏蔽磁场 )。 巴丁、库珀和施里弗提出的理论只能解释I型超导体的特性,无法解释II型超导体的特性。1950年维塔利·金茨堡与苏联科学家列夫·郎道[因对凝聚态(特别是液氦理论)的研究成果获得1962年诺贝尔物理学奖]提出一种描述超导等现象的公式,在此基础上,1957年阿列克谢·阿布里科索夫提出了一种能够解释II型超导体特性的理论。 超流体现象也是在超低温环境下观测到的。大气中稀有的惰性气体氦很难液化。直到1908年,荷兰科学家卡麦林·昂内斯才把它制成液体。氦有两种同位素氦4和氦3。上世纪30年代末,苏联科学家彼得·卡皮察首先观测到液态氦4的超流体特性。他因与此相关的成果获得1978年诺贝尔物理学奖。这一现象很快被苏联科学家列夫·郎道用凝聚态理论成功解释。 不过,科学家直到20世纪70年代末才观测到氦3的超流体现象。因为使氦3出现超流体现象的温度只有氦4的千分之一。 科学家发现,氦3超流体有一些特别的现象无法用原有理论解释。针对这些现象,20世纪70年代末,在英国工作的安东尼·莱格特提出了一个能用数学公式解释氦3超流体现象的理论。后来证明这一理论能够系统地解释多种超流体的特性,并适用于粒子物理和宇宙学等其他领域。 2003年10月7日,瑞典皇家科学院在首都斯德哥尔摩宣布2003年诺贝尔物理学奖得主(从左至右):俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克谢·阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利·金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼·莱格特,以表彰他们在超导体和超流体理论上作出的开创性贡献。 编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 超导材料的用途非常广泛,比如在磁悬浮列车、核磁共振成像、超导发电、超导计算机、输电和储能等方面都有很大用处。如今世界各国对超导的研究越来越热,而重中之重就在于常温超导。有专家预测,这种技术一旦推广应用,总体上可以节约目前三分之二的电力。 与超导原理已经得到应用相比,超流体原理的应用尚在研究之中。不过,这一领域已经曙光初现。2002年,德科学家实现铷原子气体超流体态与绝缘态可逆转换。世界科技界认为该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。这一成果被中国两院院士评为2002年世界十大科技进展之一。 夸克是强子的组成粒子。夸克共有6种。 每种夸克都有相应的反夸克。 夸克种类 (味) 上 下 奇异 粲 底 顶 英文 up down strange charm bottom top 符号 u d s c b t 质量(MeV) 5 10 500 1500 4800 ? 电荷(e) 2/3 -1/3 -1/3 2/3 -1/3 2/3 1/2 1