高中物理第二册半导体及其应用超导ppt

1、2021/8/11 星期三1三、半导体及其应用四、超导及其应用2021/8/11 星期三2教学目标1、知道什么是半导体、它的电阻率范围2、了解半导体的应用3、知道什么是超导现象，了解相关名词4、了解超导的历史，知道一些重要的物理事件5、知道超导的应用，激发勇于探索前沿科技的精神2021/8/11 星期三3复习引入复习：通过上一节的学习，我们已经知道，导体的电阻率和哪些因素相关呢？一般的规律又是怎么样的呢？和材料、温度相关。材料的规律见P154表格；金属的电阻率一般是随温度的升高而升高。从表格，我们可以看出，不同的材料，值的差异很大（达到百倍）。这种差异会不会更大？，还会随温度的变化会不会有其它

2、的规律？本节我们继续探讨这些问题2021/8/11 星期三41、半导体首先，在材料方面，测量表明，大部分的金属的值均在108m106m之间，大部分的非金属和其它一些绝缘体的值在108m1018m之间。大家可以计算，一段长1m、横截面积1m2的值为1012m绝缘体，加上1V的电压，电流是多大学生计算1012A = 106A 。这个电流是如此地小，所以通常可以认为“没有电流”流过绝缘体。那么，在值为105m107m之间的材料存不存在呢？事实证明，它们是存在的。它们就是锗、硅、砷化镓、锑化铟等材料。它们的物理特征是：导电性界与导体和绝缘体之间，且值随温度的变化呈现“反常”规律。我们把这样的材料称为半

3、导体2021/8/11 星期三5二、半导体的特性和应用1、热敏性*NTC电阻（负温度系数过流保护元件）Negative temperature coefficient的简称。负温度系数（NTC）热敏电阻材料由高纯度过渡金属Mn、Cu、Co、Ni等元素的氧化物经1200-1400高温烧结制成，是一种实际密度接近理论密度的半导体陶瓷。可制作温度传感器，以及CWF金属壳温控探头、感应器材、测控线路。应用于测量设备、汽车空调和家用空调机、电冰箱、电热水器、沐浴器、影音周边设备、医疗环保、气象、化工、食品、机械、办公室自动化、复印机、手机电池、充电器、体温计、仪器、仪表及温度检测、控制，热敏电阻器及传感

4、器元器件已取代了国外产品。*还有一类热敏电阻PTC电阻，又称正温度系数过流保护元件，即元件随着温度升高电阻迅速提高至环境温度下电阻的106107倍。从而达到保护线路的目的。2021/8/11 星期三6热敏电阻应用PTC热敏电阻在电路控制及传感器中的应用晶体管温度补偿电路、测温控温电路、过热保护电路、孵育箱、电风扇、彩卷冲洗、开水壶、电热水器、电热毯、日光灯、节能灯、电池冲电、变压器绕阻、取暖器、延迟器、压缩机、彩电、彩显、过流保安、液位控制、电子镇流器、程控交换机、电子元件老化台PTC热敏电阻在电热器具中的应用：暖风机、暖房机、干燥机（柜）、滚筒干衣机、干手器、吹风机、卷发器、蒸汽美容器、电饭

5、煲、驱蚊器、暖手器、干鞋器、高压锅、消毒柜、煤油气化炉、电熨斗、电烙铁、塑料焊枪、封口机PTC热敏电阻在汽车中的应用：电器过载保护装置、混合加热器、低温启动加热器、燃料加热器、蜂窝状加热器、燃油液位指示器、发动机冷却水温度检测表 ）2021/8/11 星期三72、光敏性解释可以源于化学键的性质。光敏电阻是一种薄膜的电子元器件，材料一般为环氧树脂，阻值随着光源强度而变化。应用照相机自动测光、光电控制、室内光线控制、光控音乐I.C.、工业控制、光控开头光控灯、电子玩具。3、二极管的单向导电性如果将P型半导体和N型半导体烧结，由于两种半导体载流子的不同，将形成单向导电性：即P接高电势N接低电势时电流

6、较强（非线性）、N接高电势P接低电势时电流较弱（非线性）。这种特性广泛应用于电子线路中的整流环节。即便是在一些简单的仪器中，也有应用，如打点计时器2021/8/11 星期三84、三极管的放大性将P型半导体和N型半导体烧结成PNP型组合、NPN型组合（两个PN节的厚度不等），再分别从三快材料中引出三根引线，形成三极管。三极管的重要性能是：集电极电流IC比发射极电流IE大，而且有一个相对稳定的倍数，所以可以实现发射极对集电极电流的控制作用。我们把这种特性称之为三极管的放大性能。三极管的放大作用在电子线路中非常重要，我们从外界接受到的信号一般都十分微弱的，只有通过放大，才能为我们所用，这里少不了三极

7、管的功劳。当然，一个完整的电器，其内部都是由以上提到的各类元件按设计好的电路焊接在电路板上形成的，各元件分工合作，最后才完成了既定的功能。如果将电阻、电容、二极管、三极管这些元件按照既定的电路连接好，然后“集成”在一块半导体单晶片（主要是硅单晶）上，就形成了“集成块”。这样集成块更方便组成功能更强大的电路。而且，人们对集成电路的研究，已经是它们越来越微型化、功能强大化我们不敢想象，没有集成电路，一些尖端的应用，如计算机、通讯、军事、航天等，将是多么笨拙和功能低下。2021/8/11 星期三9从导电性的角度，我们把材料分为导体、绝缘体，还有半导体。那么，还有没有导电性更为奇特的材料呢？金属导体的

8、电阻率一般都会随着温度的升高而升高，随着温度的降低而降低，当温度降到足够低的时候，情形会怎样呢？前面我们从理论的角度解释电阻定律时曾经说过，促使电子定向移动的因素是什么？学生：电场力。制约电子定向移动的微观因素是什么？学生：电子的热运动。那么我们是不是可以这样认为，当温度足够低，热运动很微弱的时候，电子受到的阻碍作用会非常非常小呢？下面大家从事实的角度、历史的角度、材料的角度，还有应用的角度阅读一下教材P156157的内容，阅读完毕后，请同学们作相关的总结2021/8/11 星期三10超导现象：大多数金属在温度降到某一数值时，都会出现电阻突然降为零的现象转变温度：导体由常态转变成超导状态的温度

9、，用TC表示。*两种类型的超导体：a、常规金属超导体；b、合金超导体，有两各转变温度，而且在两个转变温度之间，磁效应和电效应会出现“不一致”的情形。2021/8/11 星期三11二、超导的历史年份科学家材料转变温度TC1911（荷）昂尼斯汞4.2K至1986上半年23K1986年7月镧钡铜氧化物35K1987年2月美、中钇钡铜氧化物90K1992年初125K2021/8/11 星期三12四、超导的应用1、优越的超导电机普通发电机组中的材料载流量十分有限，由于电路中有电阻，总要发热，因此既不经济又不安全。用超导体制造电机，完全不发热，可以提高载流量，据专家计算，用超导体制作电机，功率可以提高几十

10、倍。2、省电的超导电路普通的电路由于输电线的耗能严重，必须经过升压、降压的程序，而且也不可能作到完全不损耗。超导体导线则能完全解决这个问题。2021/8/11 星期三133、精密的超导仪器一些精密的仪器，如核磁共振仪、电子显微镜等对磁场有非常严格的要求（强度要高、稳定性要高、磁感线分布要理想，有时还要求很大的尺寸），普通的材料很难达到要求，超导则能解决这个问题。4、神速的超导计算机把超导体应用于计算机将会迎来科学史上的一次重大革命。理论研究表明：应用约瑟夫森效应制成超导器件，其开关速度可以比当前使用的半导体集成电路快十几二十几倍，而且它消耗的电能只有现在普通计算机的1% 。2021/8/11 星期三145、超导磁悬浮列车在超导磁悬浮列车的研究中走在最前列十日本。1962年，日本着手设计磁悬浮列车，但当时是利用正常导体产生的磁场时速达到307.8km/h ，1997年，日本又试制了超导磁悬浮列车，关键部分是由两组超导电磁铁构成的，它们能提供极强的磁场，使列