第11.6节 材料及其应用简介-2024-2025学年高二物理同步学与练（沪科版2020上海选择性必修第三册）.docx

第十一章气体、液体、固体

11.6材料及其应用简介

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知识要点

难易度

1.N型半导体：自由电荷是电子

2.P型半导体：自由电荷是空穴

3.晶体二极管：P接电源正极，单向导电

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??知识精讲

一、半导体

1.半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、氧化亚铜、砷化嫁等。

2.半导体有两种类型：N型半导体和P型半导体。

(1)N型半导体：在半导体硅的单晶体中，掺入少量的磷（最外层5个电子），磷原子和硅原子形成共价键后就多出了一个自由电子，能参与导电。共价键是指两个或多个原子共同使用它们的外层电子。

这类半导体主要以自由电子参与导电，也叫电子型半导体，如图(1)所示。

(2)P型半导体：如果在硅中掺入少量的硼（最外层3个电子），硼原子和硅原子形成共价键后就多出一个空位，叫做空穴。这个空穴很容易被附近的电子填补，而出现新的空穴，电子的这种填补运动，从效果上看相当于空穴向着反方向运动。空穴相当于一个带正电的粒子，能导电。

这类半导体主要以空穴参与导电，也叫空穴型半导体，如图(2)所示。

(1)N型半导体的共价键结构图(2)P型半导体的共价键结构

注意：虽然N型半导体有自由电子数，但正电荷量与负电荷量相等，故N型半导体并非带负电，而是呈电中性。同理P型半导体不带正电，也是电中性。

(3)载流子：在半导体材料中，电子和空穴参与导电，称为载流子，分别是电子和空穴。

N型材料以电子为主要载流子，而P型材料以空穴为主要载流子。

电子带负电，因此N代表负（Negative），而空穴带正电，所以P代表正（Positive）

温度升高，载流子数量增多，导电能力增强。

(4)PN结的形成：如使P型半导体和N型半导体紧密接触，P区内的空穴向N区扩散，N区内的电子向P区扩散。扩散的结果使得P区失去空穴留下带负电的离子；N区失去电子，留下带正电的离子，这些离子称空间电荷，不能自由移动，因此它们不参与导电。它们集中在P区和N区的交界面附近，形成一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结，如下图所示。

空间电荷区存在电场，电场的方向由带正电的N区指向带负电的P区。这个电场是由电子和空穴的扩散运动形成的，称为内电场。内电场有阻碍扩散的作用。

(5)晶体二极管的单向导电性

在一个PN结上加上相应的电极引线并用管壳封装，便可组成一个晶体二极管，电路符号如下图(1)。

当二极管加正向电压，即P型区接电源正极时，外加电场与自建电场的方向相反，外加电场削弱自建电场，使载流子的扩散增强，呈现低电阻，二极管导通；

当加上反向电压，即N型区接电源正极时，外加电场与自建电场的方向相同，这会加强自建电场，使载流子的扩散过程受到抑制，几乎没有电流产生，呈现高电阻，二极管截止。

PN结的伏安特性如下图(2)，当外加电压大于自建电压时，电阻很小，随着电压的增大电流迅速增大。

加反向电压时电阻很大，几乎没有电流，但电压增大到一定程度时，空间电荷层中的电场强度达到临界值，引发载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，形成很大的反向击穿电流，称二极管被击穿。

(1)二极管电路符号(2)二极管伏安特性图

例1.关于半导体，下列说法正确的是（）

A.因为P型半导体中有多余的空穴，空穴是带正电的所以一块P型半导体是带正电荷的物体

B.因为N型半导体中有多余的电子，电子是带负电的，所以一块N型半导体是带负电荷的物体

C.N型或P型半导体，虽然内部的自由电子和空六数目不相等，但从整体来说，都是电中性的

D.半导体的电阻率随温度升高而增大

答案：C

解析：纯净半导体是电中性的，掺入的杂质也是电中性的。所以从整体看来，掺杂后形成P型或N型半导体，还是电中性的，选项A、B错误，选项C正确。

当半导体温度升高时，由于受热激发使电子-空穴对的数目增加，导电能力提高，所以半导体的电阻率随着温度的升高而减小，选项D错误。

二、新材料

1.新材料种类：新型金属材料、新型无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。

2.新型金属材料密度小、强度高，广泛地应用于航空航天行业。

3.复合材料等复合材料具有单一材料所没有的优异性能。

三、纳米材料

1.纳米科技：以尺度为0.1~100nm的物体为研究对象的科学技术。

纳米科技的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。

2.纳米材料种类：可分为金属、陶瓷、有机、无机以及复合纳米材料等。

3.纳米材料性质：强度、韧性、比热容、电导率（电阻率的倒数）、对电磁波的吸收性，熔点、颜色。

??巩固练习

1．（多选）下列关于二极管伏安特性的说法正确的是（）

A.二极管具有单向导电性

B.二极管的