第五章 超导体

1、 5.2.4 半导体接触半导体接触 2 -结结 一一.-结的形成结的形成 在一块在一块 n 型半导体基片的一侧掺入型半导体基片的一侧掺入 较高浓度的受主杂质，由于杂质的较高浓度的受主杂质，由于杂质的 补偿作用，该区就成为型半导体。补偿作用，该区就成为型半导体。 由于区的电子向区扩散，区的由于区的电子向区扩散，区的 空穴向区扩散，空穴向区扩散，在型半导体和在型半导体和 型半导体的交界面附近产生了一个电型半导体的交界面附近产生了一个电 场场,称为内称为内建场建场。 内建场大到一定内建场大到一定 程度程度,不再有净电不再有净电 荷的流动，达到荷的流动，达到 了新的平衡。了新的平衡。 在型在型 n型交

2、界面型交界面 附近形成的这种特附近形成的这种特 殊结构称为殊结构称为P-N结，结， 约约0.1 m厚。厚。 P-N结结 阻阻 E n型型 p型型 内建场阻止电子内建场阻止电子 和空穴进一步扩和空穴进一步扩 散，记作散，记作 。 阻阻 E P-N结处存在电势差结处存在电势差Uo。 。 也阻止也阻止 N区区 带负电的电子进带负电的电子进 一步向一步向P区区扩散。扩散。 它阻止它阻止 P区区 带正电的空穴进带正电的空穴进 一步向一步向N区区扩散；扩散； U0 0 eU 电子能级电子能级 电势曲线电势曲线 电子电势能曲线电子电势能曲线 P-N结结 考虑到考虑到P-结的存在，半导体中电子结的存在，半导体

3、中电子 的能量应考虑进这内建场带来的电子的能量应考虑进这内建场带来的电子 附加势能。附加势能。 电子的能带电子的能带 出现弯曲现象。出现弯曲现象。 空带空带 空带空带 P-N结结 0 eU 施主能级施主能级 受主能级受主能级 满带满带 满带满带 二二 . -结的单向导电性结的单向导电性 . 正向偏压正向偏压 在在-结结 的的p型区接型区接 电源正极，电源正极， 叫正向偏压。叫正向偏压。 阻挡层势垒被削弱、变窄，阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴有利于空穴 向向N区运动，电子向区运动，电子向P区运动，区运动， 形成正向电流（形成正向电流（m级）。级）。 E p型型n型型 I 阻阻 E 外加正向电

4、压越大，外加正向电压越大， 正向电流也越大，正向电流也越大， 而且是呈非线性的而且是呈非线性的 伏安特性伏安特性(图为锗管图为锗管)。 V（伏）（伏） （毫安）（毫安） 正向正向 0 0.2 1.0 I . 反向偏压反向偏压 在在-结的型区接电源负极结的型区接电源负极, 叫反向偏压。叫反向偏压。 阻挡层势垒增阻挡层势垒增 大、变宽，大、变宽，不不 利于空穴向利于空穴向 区运动，也不区运动，也不 利于电子向利于电子向P 区运动区运动,没有正没有正 向电流。向电流。 E p型型n型型 I 阻阻 E 但是，由于少数但是，由于少数 载流子的存在，载流子的存在， 会形成很弱的反会形成很弱的反 向电流，向

5、电流， 当外电场很强当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电压超过某一数值后， 反向电流会急剧增大反向电流会急剧增大-反向击穿。反向击穿。 称为漏电流称为漏电流 （ 级）。级）。 击穿电压击穿电压 V(伏伏) I - - - （微安）（微安） 反向反向 -20-30 利用利用P-N结结 可以作成具有整流、开关等可以作成具有整流、开关等 作用的晶体二极管作用的晶体二极管（diode）。）。 超导现象及其基本概念超导现象及其基本概念 技术上的重大成就往往技术上的重大成就往往 带来科学上的新发现。带来科学上的新发现。1908 年荷兰物理学家年荷兰物理学家H.K.Onners 成功地获得了液氦，使

6、得可成功地获得了液氦，使得可 以获得低达以获得低达4.2K的低温技术。的低温技术。 这样，他就利用这项技术试这样，他就利用这项技术试 验金属在低温下时的电阻。验金属在低温下时的电阻。 三年后的三年后的1911年，他发现当年，他发现当 Hg在液氦中温度下降到在液氦中温度下降到4.2K 时，其电阻出现反常现象，时，其电阻出现反常现象， 迅速降低到无法检测的程度。迅速降低到无法检测的程度。 这是人类第一次发现超导现这是人类第一次发现超导现 象。象。 5.3 超导体 不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入“超超 导态导态”，如锡和铅。锡的转变，如锡和铅。锡的转

7、变 温度为温度为3.8K，铅的，铅的 转变温度为转变温度为6K。由于这两种金属的易加工特性，。由于这两种金属的易加工特性， 就可以在无电阻状就可以在无电阻状 态下进行种种电子学试验。此态下进行种种电子学试验。此 后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、 镓、镓、 锆、铝、锘等锆、铝、锘等24种元素是超导体。从此，超种元素是超导体。从此，超 导体的研究进入了一个崭新的阶段。导体的研究进入了一个崭新的阶段。 基本概念基本概念 材料的电阻随着温度的降低会发生降材料的电阻随着温度的降低会发生降 低，某些材料会出现当温度降低到某一程度时出现低，某些材料会出

8、现当温度降低到某一程度时出现 电阻突然消失的现象，我们称之为超导现象电阻突然消失的现象，我们称之为超导现象。人们。人们 将这种以零电阻为特征的材料状态称作为超导态。将这种以零电阻为特征的材料状态称作为超导态。 超导体从正常状态（电阻态）过渡到超导态（零电超导体从正常状态（电阻态）过渡到超导态（零电 阻态）的转变称作正常态超导态转变，转变时的阻态）的转变称作正常态超导态转变，转变时的 温度温度T TC C称作这种超导体的临界温度。也就是说，零称作这种超导体的临界温度。也就是说，零 电阻和转变温度电阻和转变温度T TC C是超导体的第一特征。是超导体的第一特征。 R/R0 4.004.104.20

9、4.30 4.40 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 T/K 临界温度临界温度 低温下汞的电阻温度关系低温下汞的电阻温度关系 对于氧化物对于氧化物 超导体，其转变超导体，其转变 温度范围较宽温度范围较宽. 0.9R0 0.5R0 0.1R0 R0 TO R TeTmTs 氧化物超导体的转变温度氧化物超导体的转变温度 电阻从起始电阻从起始 转变处下降到一转变处下降到一 半时对应的温度半时对应的温度 定义为转变温度定义为转变温度. . TD TD （1 1）零电阻）零电阻 超导体处于超导态时电阻完全超导体处于超导态时电阻完全 消失，若形成回路，一旦回路中有电流，

10、该电流将消失，若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将 无衰减地持续下去无衰减地持续下去. . （2 2）临界磁场与临界电流）临界磁场与临界电流 材料的超导态可材料的超导态可 以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导 态所需的最小磁场强度称为临界磁场态所需的最小磁场强度称为临界磁场. .临界磁场的临界磁场的 存在，限制了超导体中能够通过的电流存在，限制了超导体中能够通过的电流. .当通过超当通过超 导体的电流超过某一电流值时，超导态被破坏，导体的电流超过某一电流值时，超导态被破坏， 此电流称为临界电流此电流称为临界电流. . 5.3.1 超导态的重要特

11、征 逐渐增大磁场到达一定值逐渐增大磁场到达一定值 后，超导体会从超导态变为后，超导体会从超导态变为 正常态，把破坏超导电性所正常态，把破坏超导电性所 需的最小磁场称为临界磁场，需的最小磁场称为临界磁场， 记为记为Hc。 有经验公式：有经验公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2) 正常态正常态 H Hc(0) Tc T 超导态超导态 超导体无阻载流的能力也超导体无阻载流的能力也 是有限的，当通过超导体中是有限的，当通过超导体中 的电流达到某一特定值时，的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产又会重新出现电阻，使其产 生这一相变的电流称为临界生这一相变的电流称为临界 电流，记为

12、电流，记为Ic。目前，常用。目前，常用 电场描述电场描述Ic(V) ，即当每厘米，即当每厘米 样品长度上出现电压为样品长度上出现电压为1 V 时所输送的电流。时所输送的电流。 Ic(V) I V 失超 迈斯纳效应又叫完全抗迈斯纳效应又叫完全抗 磁性，磁性，1933年迈斯纳发现，年迈斯纳发现， 超导体一旦进入超导状态，超导体一旦进入超导状态， 体内的磁通量将全部被排体内的磁通量将全部被排 出体外，磁感应强度恒为出体外，磁感应强度恒为 零，且不论对导体是先降零，且不论对导体是先降 温后加磁场，还是先加磁温后加磁场，还是先加磁 场后降温，只要进入超导场后降温，只要进入超导 状态，超导体就把全部磁状态

13、，超导体就把全部磁 通量排出体外。通量排出体外。 N N S 降温 降温 加场 加场 S 注：注：S表示超导态表示超导态 N表示正常态表示正常态 观察迈纳斯效应的磁悬浮试验观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于锡的转变温度时，小磁铁会离低于锡的转变温度时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后，开锡盘飘然升起，升至一定距离后， 便悬空不动了，这是由于磁铁的磁便悬空不动了，这是由于磁铁的磁 力线不能穿过超导体，在锡盘感应力线不能穿过超导体，在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产出持续电流的磁场，与磁铁之间产 生了排斥力，磁体越远离锡

14、盘，斥生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥 力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力越小，当斥力减弱到与磁铁的重 力相平衡时，就悬浮不动了。力相平衡时，就悬浮不动了。 o 正常金属低温比热容AT+BT3 o 在TTC的零磁场下，超导体比热容发生根 本改变 o 电子对热容的线性贡献变为指数形式 o 对于低温超导体，理论和实验都表明能隙 具有kTC量级 2 exp/()kT 5.3.2超导体三个性能指标 2 0 1 cc c T BB T 5.3.3 两类超导体 o 有两个临界磁场：下临界磁场和上临界磁场 o 在温度低于Tc条件下，外磁场BaBc1时，II类超导 体与I类超导体相似，都处于迈斯纳状态（B=0），

15、 当外磁场Ba介于Bc1和Bc2之间时，II类超导体处于混 合态（也称涡旋态） o 部分区域有磁感应线穿过，属于正常态，它的周围 却是超导态 o 超导态仍具有零电阻特性 o 当外磁场Ba达到Bc2时，正常态数目增多到彼此相接 触，整体超导体都变成了正常态 o II类超导体按其磁化曲线是否可逆，又分为理想的和 非理想的II超导体 5.3.4超导现象的物理本质 o BCS理论（巴丁J. Bardeen，库柏L. N. Cooper，施瑞弗J. R. Sehriffer） o 超导体中的电子在超导态时，电子之间存在 着特殊的吸引力，而不是正常态时电子之间 的静电斥力 o 使电子双双结成电子对（超导态

16、电子与晶格 点阵间相互作用产生的结果） o 产生库柏电子对（动量和自旋方向相反的两 个电子） 19571957年巴丁（年巴丁（J.Bardeen) )、库（、库（L.V.Cooper) ) 和施里弗（和施里弗（J.R.Schrieffer) )提出一个超导电性的微提出一个超导电性的微 观理论，称为观理论，称为BCS理论理论. . 从正常态到超导态的转变非常迅速，因此人从正常态到超导态的转变非常迅速，因此人 们设想这种变化应该是电子态的转变，因电子的们设想这种变化应该是电子态的转变，因电子的 质量小、反应快；但是同位素效应又说明这种转质量小、反应快；但是同位素效应又说明这种转 变与晶格的质量有一

17、定关系变与晶格的质量有一定关系. 格波格波 电子在离子晶格间运动时，电子密度有起电子在离子晶格间运动时，电子密度有起 伏，当电子在某处集中时，会对附近的离子晶格伏，当电子在某处集中时，会对附近的离子晶格 产生吸引，从而使离子产生振动，并以波的形式产生吸引，从而使离子产生振动，并以波的形式 在点阵中传播，这种波称为格波在点阵中传播，这种波称为格波. 声子声子 格波是量子化的，其量子称为声子格波是量子化的，其量子称为声子. .形成格形成格 波的过程相当于电子发射出一个声子波的过程相当于电子发射出一个声子. . 库珀对库珀对 传播着的正电荷区又可以吸引另一个运动传播着的正电荷区又可以吸引另一个运动

18、着的电子，相当于电子吸引了声子，两个电子通过着的电子，相当于电子吸引了声子，两个电子通过 交换声子产生了间接的吸引作用交换声子产生了间接的吸引作用. 对于某些材料，对于某些材料， 在一定的低温条件下，交换声子的两个电子可以束在一定的低温条件下，交换声子的两个电子可以束 缚在一起形成一个电子对，称为库珀对缚在一起形成一个电子对，称为库珀对. 电子A 1 p 电子B 2 p （声子）q 电子电子A 声子声子 电子电子B 2 pq+ 1 pq- BCS理论理论 处在超导态的电子，不是单独一个个存在的，而是处在超导态的电子，不是单独一个个存在的，而是 配成库珀对存在的，配对的电子，其自旋方向相反，动量

19、配成库珀对存在的，配对的电子，其自旋方向相反，动量 的大小相等而方向相反，总动量为零的大小相等而方向相反，总动量为零. .库珀对作为整体与库珀对作为整体与 晶格作用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另一个电晶格作用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另一个电 子必失去动量，作为整体，不与晶格交换动量，也不交换子必失去动量，作为整体，不与晶格交换动量，也不交换 能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻. . 当温度大于临界温度时，热运动使库珀对分散为正当温度大于临界温度时，热运动使库珀对分散为正 常电子，超导态转为正常态常电子，超导态转为正常态. 当磁场强度达到临界

20、强度时，磁能密度等于库珀对当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库珀对 的结合能密度，所有库珀对都获得能量而被撤散，超导的结合能密度，所有库珀对都获得能量而被撤散，超导 态转为正常态态转为正常态. 5.3.5 超导体的应用超导体的应用 过去在供电线路上启动一个大的常规电磁体耗电过多甚至会使一个城市过去在供电线路上启动一个大的常规电磁体耗电过多甚至会使一个城市 的灯光变暗。利用超导磁体就没有这个问题了，一个五万高斯的中型常的灯光变暗。利用超导磁体就没有这个问题了，一个五万高斯的中型常 规电磁体可重达规电磁体可重达2020吨，而超导磁体只不过几十公斤。造成重量差别如此吨，而超导磁体只不过几十公斤。

21、造成重量差别如此 悬殊的主要原因是由于超导线的载流能力比普通导线高出成百上千倍的悬殊的主要原因是由于超导线的载流能力比普通导线高出成百上千倍的 缘故，另外由于电阻产生热量的缘故，常规电磁体在磁场太高时，由于缘故，另外由于电阻产生热量的缘故，常规电磁体在磁场太高时，由于 大电流产生的热量也较大，会导致电线绝缘体的熔解，这就造成了一个大电流产生的热量也较大，会导致电线绝缘体的熔解，这就造成了一个 磁场强度最高限的问题。超导磁体发热量小，所以没有这个限制，同时磁场强度最高限的问题。超导磁体发热量小，所以没有这个限制，同时 体积和质量也较小，因此有很大的优势。科学研究中用超导体制造的离体积和质量也较小

22、，因此有很大的优势。科学研究中用超导体制造的离 子加速器体积更小，加速效果也更好。发电机的输出容量与磁感应强度、子加速器体积更小，加速效果也更好。发电机的输出容量与磁感应强度、 电枢电流密度成正比，用铜铁等制成常规电机由于受磁化电荷的饱和强电枢电流密度成正比，用铜铁等制成常规电机由于受磁化电荷的饱和强 度所限，磁感应强度难以大幅增加。若采用超导材料，磁感应强度可提度所限，磁感应强度难以大幅增加。若采用超导材料，磁感应强度可提 高高5-155-15倍，而载流能力可以提高倍，而载流能力可以提高10-10010-100倍。这样超导电机的输出功率就倍。这样超导电机的输出功率就 可以大大增加，同时电机重

23、量也可以大大减轻。可以大大增加，同时电机重量也可以大大减轻。 超导发电机在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场 强度提高到5万6万高斯，超导发电机的单机发电容量比常规发电 机提高510倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻 1/3，发电效率提高50。 超导发电机，拥有两万千瓦的功率 300KW超导单极300发电机 完全导电性的运用完全导电性的运用 超导体的零电阻性在电能输送、能源的节约上超导体的零电阻性在电能输送、能源的节约上 的运用仍然是最主要的运用之一。当前为了的运用仍然是最主要的运用之一。当前为了 降低费用，长距离输电主要采用高压架空降低费用，长距离输电主要采用高压架空

24、 （HVOHHVOH）线路。现在实际运行的线路最高电）线路。现在实际运行的线路最高电 压是单相压是单相765KV765KV。随着电压的增加和功率水平。随着电压的增加和功率水平 的提高，在人口密集的大城市里这样的通道的提高，在人口密集的大城市里这样的通道 是很不经济，甚至是不可能的。然而超导电是很不经济，甚至是不可能的。然而超导电 缆比任何技术上的竞争对手有较高的功率密缆比任何技术上的竞争对手有较高的功率密 度。度。 超导输电线路 超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎 无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电

25、，约有无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%15% 的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达10001000 多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电 厂。厂。 超导导线(含2120根微米 直徑之铌钛合金纤维) 电缆芯、低温容器、终端和冷却系 统四个部分高温超导电缆的国际市 场在2010年左右可望达到15亿美元 铋系高温超导直流电缆 超导变压器 超导电机 超导限流器是利用超导体的超导超导限流器是利用超导体的超导/ /正常态转变特性

26、，有正常态转变特性，有 效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达 到限流作用的一种电力设备。作用：到限流作用的一种电力设备。作用：1.1.增强电力系统增强电力系统 的的安全性安全性；2.2. 增加电力系统的增加电力系统的可靠性可靠性；3.3. 提高电力质提高电力质 量量；4.4. 能够与现有的电力系统保护设施兼容；能够与现有的电力系统保护设施兼容；5.5. 通过通过 调节允许的电流峰值增加电力系统的灵活性；调节允许的电流峰值增加电力系统的灵活性；6.6. 减少减少 电力系统线路中的断路器和熔断器的使用，延缓电力电力系统线路中的断路器和熔断器的

27、使用，延缓电力 设备的更新以降低成本；设备的更新以降低成本；7. 7. 提高系统的运行容量。提高系统的运行容量。 专家们预言，就高温超导体在电力系统中的应用专家们预言，就高温超导体在电力系统中的应用 而言，最先得到实际应用的将可能是超导限流器。并而言，最先得到实际应用的将可能是超导限流器。并 预计，超导限流器的国际市场在预计，超导限流器的国际市场在20102010年左右将可望达年左右将可望达 到到3535亿美元亿美元 超导限流器 超导储能超导储能 超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直 接储存起来，需要时再将电磁能返回电网接储存起来，需要时再将电磁能返回电网

28、或其它负载的一种电力设施或其它负载的一种电力设施。一般由超导。一般由超导 线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和 测控系统几个部件组成。测控系统几个部件组成。 优点：优点： 1.1. 可长期无损耗地储存能量，其转换效可长期无损耗地储存能量，其转换效 率可达率可达95%95%； 2. 2.可通过采用电力电子器件的变流器可通过采用电力电子器件的变流器 实现与电网的连接，响应速度快（毫秒实现与电网的连接，响应速度快（毫秒 级）；级）； 3. 3. 由于其储能量与功率调制系统的容由于其储能量与功率调制系统的容 量可独立地在大范围内选取，可建成所需量可独立地在大范围内选取，可建成所需 的大功率和大能量系统；的大功率和大能量系统； 4. 4. 除了真空和制冷系统外没有转动部除了真空和制冷系统外没有转动部 分，使用寿命长；分，使用寿命