半导体的特点与作用、超导体的特点与作用及其相关训练

一、半导体的特点与作用

【知识点的认识】

（1）根据导电性的不同，材料可分为导体，半导体，绝缘体三大类，容易导电的物体叫导体，如：人体、大地、各种金属、石墨、酸碱盐的溶液等；不容易导电的物体叫绝缘体，如：玻璃、陶瓷、橡胶、塑料等；导电性能介于导体与绝缘体之间的叫半导体，如：硅、锗等。常见半导体有：锗、硅、砷化镓等，即硅属于半导体材料。

（2）半导体的特性：

①在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加﹣﹣这是半导体最显著、最突出的特性。例如，晶体管就是利用这种特性制成的。

②当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下降。这种特性称为“热敏”，热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。

③当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”。例如，用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。

（3）半导体最基本的是二极管和MOS管，原理都是基于N型和P型半导体构成的PN结。二极管是单向导电器件，可以实现整流控制等。MOS管是栅控器件，是目前集成电路中最基本的单元。

（4）半导体是微电子产业的基础。控制是它的核心。在半导体中掺入少量的其他元素，它的导电性能会得到很大改善，从而可以把它们制成：

①光敏电阻：有无光照电阻值差异很大。

②热敏电阻：温度略有变化，电阻值变化很明显。

③压敏电阻：电压变化，电阻值明显变化。

（5）二极管：具有单向导电性。三极管：具有将电信号放大的作用。半导体元件的应用十分广泛，已成为电子计算机和其他电子仪器的重要元件。

【命题方向】

一是根据导电性来判断材料；二是按半导体的特点：例如半导体分为：二极管、三极管、集成电路。其中半导体可以根据各自特点做出许多电阻，例如热敏电阻、压敏电阻、光敏电阻等等。二极管是由半导体做成的器件，它具有单向导电性等来出题。

例1：LED灯是一种新型的高效节能光源，它的核心元件是发光二极管。二极管由下列哪种材料制成（　　）

A．陶瓷材料    B．金属材料    C．半导体材料    D．超导材料

分析：二极管是由半导体做成的器件，它具有单向导电性。二极管是由P型半导体和N型半导体组成的，这两种半导体相互接触时，其交接区域称为PN结，PN结具有单向导电性。

解：A、陶瓷是绝缘体，

B、金属是导体，

C、半导体的导电性介于导体和绝缘体之间，

D、超导现象是导体的电阻为变零时的现象。

故选 C。

点评：本题综合考查了导体、绝缘体、半导体和超导体，它们都有很重要的用途。

例2：如图所示的电子体温计通过流过半导体制成的感温头的电流来反映人的体温，这利用了半导体（　　）

A．良好的导电特性

B．良好的绝缘特性

C．电阻随温度变化而变化的特性

D．电阻随光照变化而变化的特性

分析：半导体的阻值会随着光照或温度的变化而发生变化，电子体温计是利用了后者。

解：半导体的阻值随着温度的变化而发生变化，根据欧姆定律，流过感温头的电流也随之发生变化，以此来反映人的体温。

故选C。

点评：因为半导体的阻值随着光照或温度的变化而发生变化，故在电子产品中应用非常广泛，应注意了解其应用。

【解题方法点拨】

半导体材料在生活中的应用，要记住。

二、超导体的特点与作用

【知识点的认识】

（1）在足够低的温度和足够弱的磁场下，其电阻率为零。一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动几乎消失，材料的电阻趋近于0，此时称为超导体，达到超导的温度称为临界温度。

（2）超导材料的特性：

①零电阻性

超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。超导现象是20世纪的重大发明之一。科学家发现某物质在温度很低时，如铅在7.20K（﹣265.95摄氏度）以下，电阻就变成了零。

②完全抗磁性

超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。1933年迈斯纳和奥尔德首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点。把锡单晶球超导体在磁场（H≤Hc）中冷却，在达到临界温度Tc以下时，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；或者先把超导体冷却至Tc以下，再通以磁场，这时磁通线也被排斥出去，即在超导状态下，超导体内磁感应强度B＝0．这就是迈斯纳效应。

③约瑟夫森效应

两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。

④同位素效应

超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。

（3）超导材料的应用主要有：

①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。

②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。

③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

（4）超导现象：

人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。超导现象出现的基本标志是零电阻效应和迈斯纳效应。

【命题方向】

利用超导体干什么是命题方向，例如：进行远距离输电可以减少能量的损耗，利用超导体制成电动机线圈等。

例1：在超导体研究领域。我国取得了令人瞩目的成就，关于超导状态下的超导体，下列说法中错误的是（　　）

A．超导体的电阻为零

B．使用超导体制成的导线将降低远距离输电线中的电能损耗

C．超导体适合制作滑动变阻器中的电阻丝

D．超导体适合制作电动机的线圈

分析：超导材料是一种电阻为零的材料。超导体的电阻为0，不会放热，所以电能无法转化为内能。

解：A、当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种物质叫做超导体。正确，不合题意。

B、用超导体做输电导线，可以减小由电能到内能的损耗，提高传输效率。正确，不符合题意。

C、电阻丝工作时，必须要有电阻，用超导体做电阻丝，将使电路中电流变大，损坏电路。错误，符合题意。

D、利用超导体材料制作电动机线圈，可减少电能损失，提高电能利用率；正确，不合题意。

故选C。

点评：本题主要考查学生对超导现象及超导材料的特点的认识和了解，是一道基础题。

例2：上海交大研究团队于2011年初成功研发了百米级第二代高温超导带材，使我国跻身该技术领域国际先进行列。你认为超导材料不适合制作（　　）

A．电炉丝    B．电动机线圈    C．计算机电子元件    D．输电导线

分析：解答本题的关键是超导体是零电阻，所有利用电流热效应工作的电器设备都不能用超导材料制作。

解：A、电炉丝需要将电能转化为内能，电阻为0无法将电能转化为内能。符合题意。

B、电动机线圈是利用线圈传递电流，是利用电流的磁效应工作的。利用超导体工作的时候，没有能量的损失。不合题意。

C、电子元件工作时不需要发热，不合题意。

D、输电导线采用超导材料，可减少导线因发热而损失的电能。不合题意。

故选A。

点评；本题主要考查学生对：超导材料的特点，以及应用的了解和掌握，是一道基础题。

【解题方法点拨】

“超导材料”、“半导体材料”和“纳米材料”是现代社会的热点问题，因此也是中考的热点问题，要熟悉每种材料的特点。