超导现象及半导体

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半导体材料有什么特点，内部构造有什么特点半导体材料是室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。靠电子和空穴两种载流子实现导电，室温时电阻率一般在10-5～107欧·米之间。通常电阻率随温度升高而增大；若掺入活性杂质或用光、射线辐照，可使其电阻率有几个数量级的变化。1906年制成了碳化硅检波器。1947年发明晶体管以后，半导体材料作为一个独立的材料领域得到了很大的发展，并成为电子工业和高技术领域中不可缺少的材料。特性和参数半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。不同类型半导体间接触（构成PN结）或半导体与金属接触时，因电子（或空穴）浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性，可以制成具有不同功能的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。此外，半导体材料的导电性对外界条件（如热、光、电、磁等因素）的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度，对于非晶态半导体材料，则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下，其特性的量值差别。种类常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化镓、磷化镓、磷化铟等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等）、Ⅳ-Ⅵ族（如硫化铅、硒化铅等）、Ⅳ-Ⅳ 族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。此外，还有非晶态和液态半导体材料，这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80％的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。 超导现象定义：　　某种物体在一定的温度下电阻突然消失不见的现象称为超导现象。基本性质：　　1911年荷兰科学家翁纳斯（H.KamerlinghOnnes，1853-1926）在测量低温下水银电阻率的时候发现，当温度降到零下269度附近，水银的电阻竟然消失了！电阻的消失叫做零电阻性。所谓“电阻消失”，只是说电阻小于仪表的最小可测电阻。也许有人会产生疑问：如果仪表的灵敏度进一步提高，会不会测出电阻呢？用“持久电流”实验可以解决这个问题。零。如果回路没有电阻，自然就没有电能的损耗。一旦在回路中激励起电流，不需要任何电源向回路补充能量，电流可以持续地存在下去。有人曾在超导材料做成的环中把电流维持两年半之久而豪无衰减。由此可以电阻率的上限为10－23欧姆厘米，还不到最纯的铜的剩余电阻率的百万亿分之一。零电阻效应是超导态的两个基本性质之一。　　超导态的另一个基本性质是抗磁性，又称迈斯纳(Meissner)效应。即在磁场中一个超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。也就是说，磁力线完全被排斥在超导体外面。超导磁悬浮：　　利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。把一块磁铁放在超导盘上，由于超导盘把磁感应线排斥出去，超导盘跟磁铁之间有排斥力，结果磁铁悬浮在超导盘的上方。这种超导悬浮在工程技术中是可以大大利用的，超导悬浮列车就是一例。让列车悬浮起来，与轨道脱离接触，这样列车在运行时的阻力降低很多，沿轨道“飞行”的速度可达500公里/小时。高温超导体发现以后，超导态可以在液氮温区(零下169度以上)出现，超导悬浮的装置更为简单，成本也大为降低。我国的西南交通大学于1994年成功地研制了高温超导悬浮实验车。　　《物理学评论》于1957年刊登了一篇理论文章，第一次解释了在低温下一些材料电阻完全消失的现象。在实验线索和早期理论尝试的基础上，来自伊利诺斯大学（UniversityofIllinoisinUrbana）的JohnBardeen，LeonCooper和Robert Schrieffer不仅解释了电阻消失的现象，同时还解释了超导体的许多磁学和热学性质。即所谓的BCS理论，他们的发现还对粒子物理理论有重要的影响，并且为解释高温超导现象的尝试提供了依据。超导现象的应用与其理论解释：　　超导体会排斥磁场，这使得小的永久磁铁（PermanentMagnet）能够漂浮在大块的高温超导体上。在1957年，也就是在超导现象被发现50年之后，BCS理论解释了低温超导现象。　　超导现象最早是在1911年发现的，到上世纪三十年代的时候物理学家们确定超导体中的电子占据了不同于正常导体中电子的量子态。研究人员们于1950年发现，水银转变成超导体的临界温度比原子量较大的水银同位素的临界温度稍微要高一些，这就说明超导电性除了和材料中电子的运动有关外还和原子的运动有关。　　为了解释这种“同位素效应”（IsotopeEffect）Bardeen和他在伊利诺斯大学的同事DavidPines从理论上证明，在原子晶格中电子可以相互吸引，虽然电子和电子之间有很强的静电排斥作用。关键在于，电子可以影响晶格原子的振动，这种振动可以影响其它的电子，也就是说电子和电子之间的相互吸引并不是直接的。　　到了上世纪五十年代中期，Bardeen和博士后Cooper以及研究生Schrieffer合作。Cooper发表了一篇短文，在这篇文章中他发现Bardeen-Pines吸引可以使得动量相反的电子配对，并且这种配对是稳定的[1]。Cooper指出，这种配对的机制可能就是造成超导电性的原因，但是Bardeen开始的时候对此表示怀疑。这种配对的电子并不是物理上相靠近，但是两者的运动是相匹配的，它们总是具有大小相等方向相反的动量。当时并不清楚这种脆弱分离的配对为何能够被组织起来导致产生超导电性而不被破坏。　　几个月后，Schrieffer找到了从数学上定义包含很多电子对的量子态的方法，这种量子态中电子对和其它的电子以及晶体原子之间没有相互作用，从而可以毫无阻碍地在晶体中运动。随后Schrieffer将这种物理图像和当时流行的舞蹈Frug作了类比（如图），在这种舞蹈中跳舞者在舞池中相互分离，中间隔了许多其它人，但是他们始终是一对。 　　跳舞者在舞池中相互分离，中间隔了许多其它人，但是他们始终是一对。　　这个小组于1957年早期发表了一篇短文之后又于这一年的十二月发表了后来闻名遐迩的BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）超导理论。他们于1972年获得了诺贝尔物理学奖。这个理论解释了同位素效应以及迈斯纳效应（当强度低于某一临界值的时候磁场不能进入超导体中）。这个理论同时还能够解释为什么超导电性只能够发生在接近绝对零度的时候——当热运动太剧烈的时候脆弱的Cooper对就会被破坏。来自伊利诺斯大学的超导实验学家LauraGreene认为这正体现了Bardeen的洞察力，他选择了正确的合作者，并且在探索的时候始终关注实验的进展。科学就应该这么做。　　BCS波函数的一个奇异之处在于它缺少当时电磁方程组的任何量子或是经典解所具有的数学对称性。对这个问题的进一步分析刺激了粒子物理理论中所谓的对称性破缺（SymmetryBreaking）理论的发展。　　虽然1986年发现的高温超导体依赖于电子的配对，它们在温度高于BCS理论中配对临界温度的时候依然具有超导电性。MarvinCohen（加利福尼亚大学伯克利分校）认为虽然对于新材料缺乏理解，原来的BCS结对机制仍然有效。Greene认为，既然从发现超导现象开始就花了一些非常聪明的人五十年的时间才找到BCS理论，她并不认为仅仅过了二十年就能够解释高温超导现象。