9、超导与半导体材料：原理、特性及应用

超导与半导体材料：原理、特性及应用

在科技飞速发展的当今时代，对具有特殊性能的材料需求日益增长。超导材料作为其中的佼佼者，因其独特的物理特性，在众多领域展现出巨大的应用潜力。同时，半导体材料作为现代电子技术的基石，其能带理论对于理解材料的电学性质至关重要。

超导现象

通常情况下，导体冷却时，其电导率会增加，理论上在 0K 时电阻应为零。然而，实际中由于杂质原子和晶格缺陷对电子的散射，即使在 0K 也会存在小的残余电阻。但有一些金属表现出特殊行为，冷却到接近 0K 的某个温度时，电阻会突然降为零，这种零电阻状态被称为超导态，具有这种特性的材料就是超导材料，电阻消失的温度称为超导转变温度 Tc。例如，1911 年科学家卡末林·昂内斯在研究汞的性质时，发现纯化的汞冷却到 4.15K 时电阻突然消失。超导材料的零电阻特性使其在无损耗直流电力传输方面具有重要的实际应用价值。

磁场对超导的影响（西尔兹比规则）

• 临界磁场 ：当超导体处于磁场中，达到一定磁场值 Hc 时，超导体将转变为正常导体，这个磁场值就是临界磁场。
• 临界电流 ：导致超导体从超导态转变为正常态的磁场，不一定是外部施加的，也可能由超导体中的电流产生。当电流产生的磁场超过临界磁场 Hc 时，超导体就会进入正常态，此时的电流 Ic 称为临界电流。对于半径为 R 的细长圆形导线，电流产生的磁场为 (H = \frac{I}{2\pi R})，临界电流 (I_c = 2\pi R H_c)，又因为 (H_c = \frac{B_c}{\mu_0})，所以 (I_c = \frac{2\pi R B_c