师：同学们，今天我们学习粤教版物理选择性必修第二章新材料的内容。之前我们学习了气体、液体、固体的特点、规律及其应用。气态、液态和固态是常见的三种物质形态，不同形态物理材料的应用，极大推动了人类社会发展。历史学家曾根据人类使用的材料，将古代史划分为石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代。可见，每次新材料的发现与利用，都有力推动了人类社会进步。直至今日，新材料不断涌现，每一次进步都标志着人类社会生产水平的跨越，每一次新材料的开发与使用，都助力人类迈上新台阶。
比如，1946 年 2 月 14 日，ENIAC 电子数字积分计算机在美国诞生，它是世界上第一台通用计算机，也是继 ABC 电子计算机之后的第二台电子计算机。ENIAC 长 30.48 米，宽 6 米，高 2.4 米，占地面积约 170 平方米，有 30 个操作台，造价 48 万美元。它包含 17468 根真空管（即电子管）、7200 根晶体二极管，计算速度为每秒 5000 次加法或 400 次乘法，是手工计算的 20 万倍。
而 2019 年华为公司推出的麒麟 990 5G 手机芯片，在手指甲盖大小的地方集成了 103 亿个晶体管，运算速度达到每秒万亿次以上。对比可知，ENIAC 的占地面积约为麒麟 990 5G 芯片的 17 亿倍，集成电路数量仅为麒麟 990 5G 芯片的万亿分之一，计算速度也不到麒麟 990 5G 芯片的十亿分之一。
人类在六、七十年间取得如此大的进步，得益于对半导体材料的深入研究以及相关理论技术的持续发展。现代社会，人们对半导体产品的依赖程度越来越高。对于半导体，大家认知各异，有人说二极管是半导体，多数人认为芯片是半导体，还有不少老人把老式收音机叫做半导体。那半导体究竟是什么呢？严格来说，半导体是一种介于导体和绝缘体之间的物质。导体在生活中很常见，多数金属都是导体，像铁、铝、铜、银、金等。导体为何能导电呢？以铜为例，观察其原子结构图会发现，它的最外层只有一个电子，这个电子被称为价电子。由于原子核与价电子间的吸引力较小，一旦受到外力吸引，这个电子就容易脱离铜原子，成为自由电子，这便是铜能成为导体的主要原因。
再看绝缘体，生活中常见的绝缘体有木材、塑料、玻璃等。观察绝缘体的原子结构会发现，它们通常拥有 8 个价电子，形成极其稳定的结构。半导体，指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。它的原子结构是怎样的呢？观察元素周期表可知，在导体和绝缘体的分界线附近的元素，是制作半导体的重要材料。典型的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。硅元素影响力较大，观察其原子结构图会发现，它的最外层有四个电子，为达到平衡状态，要么舍弃 4 个电子，要么拉拢 4 个电子。硅原子排列时，巧妙地共享上下左右四个电子，手拉手组成稳定的 8 电子结构，即共价键。那么，硅的导电性从何而来呢？当温度大于绝对零度时，处于价带的电子可能发生跃迁，变成自由电子，同时原来的位置会形成一个空穴，也就是说硅晶体内会存在等量的自由电子和空穴，它们都能导电，这就是纯净半导体，也叫本征半导体。
通过了解本征半导体的原子结构可知，本征半导体的导电性有限。但它有个特点，半导体的导电性能可通过掺杂来控制。为增加半导体的导电性，可在本征半导体中掺杂其他元素，比如把硅原子替换成五价磷原子，可提高自由电子的浓度，得到 n 型半导体。同理，用最外层只有 3 个电子的硼原子替换硅原子，提高空穴的浓度，空穴带正电，可得到 p 型半导体。
那么把两种类型的半导体连接在一起会怎样呢？n 区的电子迫切想扩散到 p 区，p 区的空穴拼命想扩散到 n 区，这时会形成一个由 n 指向 p 的内电场，阻止电子扩散。二者达到动态平衡后，会在交界面形成一个空间电荷区，这就是 pn 结。
PN 结具有单向导电性，常见的二极管便是利用这个特性制成的。在制造芯片时，为保证用来制作芯片的半导体硅的纯度与排列规则性，通常先生产出整根的单晶硅棒，然后切成圆片状，最后在圆晶片上制作集成芯片。图中每一个小方格就是一个集成芯片，它通过复杂工艺在指甲盖大小的空间里集成了很多晶体管，如二极管、三极管、场效应管等，所以芯片也属于半导体器件。
老式收音机为何也叫半导体呢？因为老式收音机最早期的核心材料是电子管，电子管体积大且耗电。早期收音机看起来像书柜般大小，后来半导体材料发明，用晶体管代替了电子管。与电子管收音机相比，半导体收音机体积小、耗电少、寿命长。在当时，它确实是改变世界的存在，主要是因为用晶体管代替了电子管，所以人们把当时的老式收音机叫做半导体，因其在当时极具颠覆性。
近期流行的氮化镓充电器，氮化镓是新一代半导体材料，它损耗更小、频率更高、更稳定，所以氮化镓充电器能做得更小，功率更高。半导体发展多年，随着半导体材料的发展与集成工艺的提高，各种功能的电子组件实现小型化、微型化。如一部手掌大的手机集成了光线、距离、重力、加速度、磁场、指纹等十几种传感器，以及多个功能模块，以支持通话、上网、导航、拍照等功能。
近些年，半导体材料在太阳能发电、余热发电领域成为科研热点，因为半导体材料中可发生光生伏特效应或热生伏特效应，将光能或热能转化为电能。什么是光生伏特、热生伏特效应呢？当半导体温度升高或受到光照等外界因素影响时，某些共价键中的价电子获得光子足够的能量，挣脱共价键束缚，跃迁到导带，产生电子 - 空穴对，电子向带正电的 n 区运动，空穴向带负电的 p 区运动，就会在 p 区和 n 区之间产生一个向外可测试的电压，将光能和热能转化为电能。家家户户楼顶的太阳能板就是利用半导体的这个特点制作的。近年来，人们致力于降低光伏材料成本，提高发电效率，为光伏发电大规模应用创造条件。同时，在航天探测器上，人们利用热电材料维持探测器电子设备的运行。
迄今为止，半导体材料制造的电子产品已广泛应用于生产生活。从手机手表到雷达火箭，从互联网卫星导航到网课资源、视频聊天，都离不开半导体。如果说半导体影响着现在，那么纳米材料与超材料极有可能引领未来。那纳米材料是什么呢？纳米材料即三维空间中至少有一维处于纳米尺寸的材料。一纳米有多长呢？从度量尺度讲，一纳米等于 10 的 -9 次方米，针头直径约为 100 万纳米，一个红血球细胞直径约为 1000 纳米，一个 DNA 的长度约为一纳米，氢原子直径约为 0.1 纳米。将某些物质尺度加工到 1 - 100 纳米之间时，其物理性质和化学性质与较大尺度相比发生异常变化，具有特殊用途，这些材料就是纳米材料。