第 24 章 固体量子理论基础.ppt

三、p-n 结 将 p 型半导体和 n 型半导体相互接触，由于 n 区的电子向 p 区扩散，p 区的空穴向 n 区扩散，在交界处形成了 p-n 结。 在交界面附近，p型区中的空穴被扩散来的电子复合，产生负电荷的积累， n型区中的电子被扩散来的空穴复合，产生正电荷的积累。结果在交界面处形成了电偶层。 电偶层的电场（称为内建场）阻碍电子和空穴的进一步扩散，最后形成一稳定的电势差。此时在p-n结处n区相对于p 区有电势差U0 ，称为接触电势差 + + + + - - - - E内 P-n结 p型区 n型区 在 p-n 结的 p 型区接电源正极， n 型区接电源负极（称为正向偏压）。这时电偶层电场被削弱、有利于空穴向 n 区运动，电子向 p 区运动，形成正向电流 相反地，在 p-n 结的 p 型区接电源负极， n 型区接电源正极（称为反向偏压）。这时电偶层电场被增强、不利于空穴向 n 区运动，电子向 p 区运动，电路被阻断。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。 二极管由p-n 结构成 ，所以二极管具有单向导电性。 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。 P-n结两端电压和流过结的电流关系如图，称为p-n结的伏安特性曲线。 24.2 超导电现象 一、 零电阻 1911年，荷兰物理学家昂尼斯 (H.Kammerlingh-Onnes) 发现在4.2K附近，汞的电阻突然降为零，昂尼斯猜测超导材料处于一种新的状态，他把这种状态叫超导态，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Tc 昂尼斯因这一现象的发现于1913年,获诺贝尔物理学奖 ? Tc T o 超导电性发现，开辟了研究和应用超导电性质的新领域。从那时起，人们已发现在正常压强下有近30种元素、和许多合金和化合物具有超导电性。下表列出了一些超导元素和较重要的合金，以及它们的临界温度 1933年，两位德国物理学家迈斯纳(W. F. Meissner)和奥赫森菲尔德(R. Ochsenfeld)发现，对于超导体，当从正常态变到超导态后，原来穿过超导体的磁通被完全排出到超导体外，在超导体内磁感应强度为零，称这一现象为迈斯纳效应。 二、完全抗磁性 由于在超导体内有 再由关系 可得 若将上式写为 可得磁化率为 这说明超导体具有完全抗磁性 将一理想导体(电阻率为零)放在外磁场中，利用电磁感应定律可以证明：外加磁场的变化不会改变通过理想导体的磁通量，通过理想导体的磁通量可以是非零的常数，但不一定总是零，与其变化历史、及外磁场的作用历史有关。 可见，完全抗磁性是超导体独立于零电阻性质的另一基本性质，换句话说，超导体并不能简单地看为理想导体。 零电阻和完全抗磁性是判断超导体是否处在超导态的两个必要条件。 三、临界磁场与临界电流 昂尼斯观测到超导电性不久便发现，外加磁场可以破坏超导态，即使在临界温度之下，当逐渐增加外磁场时，超导样品会由超导态转入正常态，这种破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场，用Hc表示。临界磁场与材料的种类和超导态所处的温度有关。人们发现临界磁场与温度的关系可用如下的经验公式描述 H0为T= 0K时的临界磁场 Hc与温度T的关系如图. H T O Tc Hc(T) 超导态 正常态 四、两类超导体 若超导体在HHc时，由超导态直接转变为正常态，这种超导体称为第 一类超导体。 还有一类超导体，在低于临界温度的一定温度下，有两个临界磁场H1c和H2c 。 当材料处在磁场 HH1c时,为超导态；当磁场增强至HH1c时，它们不是从超导态直接转变为正常态，而是超导态和正常态混杂的混合态，直到磁场HH2c时才完全转变为正常态。这类超导体称为第二类超导体。 当第II类超导体处于混合态时。整个材料是超导的，但在材料内部出现许多沿外磁场方向、半径极小的圆柱形正常态区域，可称为正常芯。 这些正常芯排列成一种周期性的规则图案。每根正常芯表面上围绕着涡旋状电流，这些电流屏蔽了芯中的磁场对外面超导区的作用。因此正常芯好像是外磁场的通道。实验证明，在每条芯中的磁通量都相等，且有一个确定的值 磁通量是量子化的 五、BCS理论 超导电性的微观理论是由巴丁(J. Bardeen)、库珀(L.V.Cooer)和施里佛（J.R.Schrieffer )在1957年提出的，简称BCS理论，为此他们三人共获1972年诺贝尔物理学奖。 现在考虑这样一种情况：设想有两个电子，它们的运动方向相反，但存在相互吸引作用，由于吸引作用它们被束缚在一起，形成电子对，称这样的电子对为库珀对 研究表明，组成库珀对的两个电子的平均距离约为10-6 m ，而晶格的晶格间距约为10-10 m ，即库珀对在晶体要伸展到几千个原子的范围。