禁带宽度的测量实验报告
禁带宽度的测定
一、实验目的
1、学习紫外分光光度计的工作原理和使用方法
2、学习用紫外分光光度计测量薄膜样品的透射光谱
3、能根据吸收光谱推算出材料的光学禁带
二、实验内容
1、用紫外分光光度计测量不同厚度的ZnO 和2TiO 薄膜的透射光谱
2、用不同的拟合关系计算出ZnO 和2TiO 样品的光学禁带宽度，并与理论值比较，定它们的跃迁类型
3、2TiO 样品在可见光范围内的透射率为什么会出现极大极小的变化，根据这一变化推算出薄膜的厚度
三、实验原理
1、禁带宽度的涵义
(1)、禁带宽度表示晶体中公有化电子所不能具有的能量范围 (2)、禁带支付表示价键束缚的强弱 2、允许的带间直接跃迁
在跃迁过程中波矢改变量0k ?= ，这种跃迁为允许带间直接跃迁。
这种跃迁满足
g g E ω=
如果假定仅讨论导带底以上价带顶以下较小的能量范围内光吸
收过程，对于导带与价带都是抛物线的并且非简并的情况有
()()14
12
210g E cm αωω-≈?-
吸收系数与能量的关系服从1/2次方律。
3、禁戒的带间直接跃迁
在一些情况中，0k = 的跃迁被选择定则1L ?=±禁止，而0k ≠
的跃迁允许，这种跃迁为禁戒的直接跃迁。虽然在0k = 徙的跃迁几率为0，但是0k ≠
处仍存在一定的的跃迁几率，且跃迁几率正比于2k ，此时的
吸收系数为
()()4
1
1.310
g
E cm
ωαωω
--=?
由上式可知吸收系数主要由3/2次方律决定
4、导带底和价带顶位于波矢空间不同位置的带间直接跃迁和间接跃迁
这种情况是指导带底的最低能量状态和价带的最高能量状态不
在k
空间同一位置而发生直接跃迁。
(1)、当g p E E ω>- 时，只能伴随着声子的吸收过程，吸收系数为
()()2
exp 1
g p p B c E E E k T αωαω-+=
??- ???
(2)、对于g p E E ω>+ 时，既可伴随着声子的发射，也可伴随着声子的吸收。其中伴随一个声子发射的吸收光谱为
()()2
1exp g p e p B c E E E k T ωαω--=
??- ?
??
以上两式表明间接跃迁系数与入射光子的能量有二次方关系。
5、透射率、吸光度与吸收系数之间的关系
吸光度A 与透射率T 的关系为
1lg
A T
= 光吸收规律
()0exp I I x α=-
α为吸收系数，x 为光的传播距离，根据朗伯—比尔定律，A 正比于α。
四、实验装置
双光束此外—可见光光度计，ZnO 和2TiO 薄膜样品
五、实验方法
1、打开分光光度计运行软件，将光谱扫描范围设为190-700nm ，扫描步长为1nm ，扫描方式为透射率。
2、将两片没有镀膜的干净基片分别放置于参比池和样品池，先做基线扫描，然后将样品池的基片换成镀了腊的基片，进行光谱扫描，从而得到透射光谱。
3、通过软件自带的功能将透射率转换成吸光度。
4、根据吸光度与吸收系数的正比关系以及吸收系数与光子能量的关系，拟合出各样品的光学带隙，并与理论值比较。(ZnO 的禁带宽度理论值为3.37eV ，2TiO 的禁带宽度为3.2eV)
六、数据记录与处理
1、
2
TiO样品数据
2
TiO光学带隙理论值为3.2eV
先考虑五层样品的跃迁方式:
○1
1
2
ωα
与的关系
3.0 3.2 3.4 3.6 3.8
4.0 4.2 4.4 4.6
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
hα/eV
hν-α1/2
α
1
/
2
(3.18,0)
按第一种跃迁方式计算，五层
2
TiO样品的光学带隙为3.18eV，
○2
3
2
ωα
与的关系
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6h ν-α
3/2
α
3/2
h α/eV
(3.63,0)
按第二种跃迁方式计算，五层2TiO 样品的光学带隙为3.63eV ，
○
32
ωα 与的关系 3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
h ν-α
2
α
2
h α/eV
(3.65,0)
按第三种跃迁方式计算，五层2TiO 样品的光学带隙为3.67eV ，
2TiO 根据图形可认为样品的跃迁方式为直接跃迁，禁带宽度与α为
1/2次方的关系。
一层2TiO 样品
12
ωα 与的关系
2.8
3.5
4.2
0.0
0.3
0.6
0.9
h ν-α
1/2
α
1/2
h α/eV
(3.23,0)
一层2TiO 样品的光学带隙为3.23eV ， 三层2TiO 样品
12
ωα 与的关系
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.0
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1α
1/2
h α/eV
h ν-α
1/2
(3.30,0)
三层2TiO 样品的光学带隙为3.30eV ， 五层2TiO 样品
七层2TiO 样品
12
ωα 与的关系
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.0
0.2
0.40.60.81.01.2h ν-α
1/2
h α/eV
α
1/2
(3.42,0)
七层2TiO 样品的光学带隙为3.42eV ， 九层2TiO 样品
12
ωα 与的关系
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.0
0.10.20.30.40.50.60.70.80.9h α/eV
h ν-α
1/2
α
1/2
(3.20,0)
九层2TiO 样品的光学带隙为3.20eV ，
2、ZnO 样品数据
ZnO 光学带隙理论值为3.37eV
先考虑五层样品的跃迁方式： ○
11
2
ωα 与的关系 3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.0
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0h ν-α
1/2
α
1/2
h α/eV
(3.17,0)
按第一种跃迁方式计算，五层ZnO 样品的光学带隙为3.17eV ，○
23
2
ωα 与的关系
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.0
0.10.20.30.40.50.60.70.8h ν-α
3/2
α
1/2
h α/eV
(3.27,0)
按第二种跃迁方式计算，五层ZnO 样品的光学带隙为3.27eV ，○
32ωα 与的关系
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.0
0.10.20.30.40.50.60.7h ν-α
2
α
1/2
h α/eV
(3.29,0)
按第三种跃迁方式计算，五层ZnO 样品的光学带隙为3.29eV ，
ZnO 根据图形可认为样品的跃迁方式为第三种导带底和价带顶位
于波矢空间不同位置时的带间直接跃迁和间接跃迁，禁带宽度与α为2次方的关系。
一层ZnO 样品
2ωα 与的关系
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.000
0.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.018h α/eV
α
1/2
h ν-α
2
(3.24,0)
一层ZnO 样品的光学带隙为3.24eV ， 三层ZnO 样品
2ωα 与的关系
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
h ν-α
2
α
1/2
h α/eV
(3.28,0)
三层ZnO 样品的光学带隙为3.28eV ， 七层ZnO 样品
2ωα 与的关系
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.0
0.20.40.60.81.01.21.41.6h ν-α
2
α
1/2
h α/eV
(3.29,0)
七层ZnO 样品的光学带隙为3.29eV ， 九层ZnO 样品
2ωα 与的关系
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
h ν-α
2
α
1/2
h α/eV
(3.29,0)
按第三种跃迁方式计算，九层ZnO样品的光学带隙为3.29eV，七、数据分析
TiO样品，由以上的数据可知跃迁方式为直接跃迁，禁带宽对于2
度与α为1/2次方的关系
薄膜层数一三五七九
禁带宽度 3.23eV 3.30eV 3.18eV 3.42eV 3.20eV 对于ZnO样品，由测量的数据可知跃迁方式为第三种导带底和价带顶位于波矢空间不同位置时的带间直接跃迁和间接跃迁，禁带宽度与α为2次方的关系
薄膜层数一三五七九
禁带宽度 3.24eV 3.28eV 3.29eV 3.29eV 3.29eV 对ZnO薄膜样品，从一层到五层禁带宽度随着膜的厚度增加一直变大，到第五层后禁带宽度变化很小。
磁场的测定(霍尔效应法)汇总
霍尔效应及其应用实验(FB510A 型霍尔效应组合实验仪) （亥姆霍兹线圈、螺线管线圈） 实 验 讲 义 长春禹衡时代光电科技有限公司
实验一 霍尔效应及其应用 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。 【实验目的】 1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的S H I ~V 和M H I ~V 曲线。 3．确定试样的导电类型。 【实验原理】 1．霍尔效应： 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场H E 。如图1所示的半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，则在Y 方向即试样A A '- 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图1（a ）所示的N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，（b ）的P 型试样则沿Y 方向。即有 ) (P 0)Y (E )(N 0)Y (E H H 型型?>?< 显然，霍尔电场H E 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力H E e ?与洛仑兹力B v e ??相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有
禁带宽度的测量
实验十四 禁带宽度的测量 一、实验目的 1、学习紫外分光光度计的工作原理和使用方法 2、学习用紫外分光光度计测量薄膜样品的透射光谱 3、能根据吸收光谱推算出材料的光学禁带 二、实验内容 1、用紫外分光光度计测量不同厚度的ZnO 和2TiO 薄膜的透射光谱 2、用不同的拟合关系计算出ZnO 和2TiO 样品的光学禁带宽度，并与理论值比较，定它们的跃迁类型 3、2TiO 样品在可见光范围内的透射率为什么会出现极大极小的变化，根据这一变化推算出薄膜的厚度 三、实验原理 1、禁带宽度的涵义 (1)、禁带宽度表示晶体中公有化电子所不能具有的能量范围 (2)、禁带支付表示价键束缚的强弱 2、允许的带间直接跃迁 在跃迁过程中波矢改变量0k ?= ，这种跃迁为允许带间直接跃迁。 这种跃迁满足 g g E ω= 如果假定仅讨论导带底以上价带顶以下较小的能量范围内光吸
收过程，对于导带与价带都是抛物线的并且非简并的情况有 ()()14 12 210g E cm αωω-≈?- 吸收系数与能量的关系服从1/2次方律。 3、禁戒的带间直接跃迁 在一些情况中，0k = 的跃迁被选择定则1L ?=±禁止，而0k ≠ 的跃迁允许，这种跃迁为禁戒的直接跃迁。虽然在0k = 徙的跃迁几率为0，但是0k ≠ 处仍存在一定的的跃迁几率，且跃迁几率正比于2k ，此时的 吸收系数为 ()()4 1 1.310 g E cm ωαωω --=? 由上式可知吸收系数主要由3/2次方律决定 4、导带底和价带顶位于波矢空间不同位置的带间直接跃迁和间接跃迁 这种情况是指导带底的最低能量状态和价带的最高能量状态不 在k 空间同一位置而发生直接跃迁。 (1)、当g p E E ω>- 时，只能伴随着声子的吸收过程，吸收系数为 ()()2 exp 1g p p B c E E E k T αωαω-+= ??- ??? (2)、对于g p E E ω>+ 时，既可伴随着声子的发射，也可伴随着声子的吸收。其中伴随一个声子发射的吸收光谱为 ()()2 1exp g p e p B c E E E k T ωαω--= ??- ? ?? 以上两式表明间接跃迁系数与入射光子的能量有二次方关系。
宽禁带半导体材料和工艺设计
宽禁带半导体材料与工艺 1.1 宽禁带半导体的概念和发展 宽禁带半导体（WBS）是自第一代元素半导体材料（Si）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代半导体材料。这类材料主要包括SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化镓、）AlN（氮化铝）、ZnSe（硒化锌）以及金刚石等。 第二代半导体GaAs与Si相比除了禁带宽度增大外，其电子迁移率与电子饱和速度分别是Si的6倍和2倍，因此其器件更适合高频工作。GaAs场效应管器件还具有噪声低、效率高和线性度好的特点但相比第三代半导体GaN和SiC，它的热导率和击穿电场都不高，因此它的功率特性方面的表现不足。为了满足无线通信、雷达等应用对高频率、宽禁带、高效率、大功率器件的需要从二十世纪九十年代初开始，化合物半导体电子器件的研究重心开始转向宽禁带半导体。 我们一般把禁带宽度大于2eV的半导体称为宽禁带半导体。宽禁带半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。 1.2 主要的宽禁带半导体材料 近年来，发展较好的宽禁带半导体材料主要是SiC和GaN，其中SiC的发展更早一些，碳化硅、氮化镓、硅以及砷化镓的一些参数如下图所示：
图1-1 半导体材料的重要参数 如上图所示，SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs，相应的本征载流子浓度小于硅和砷化镓，宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于硅和砷化镓。 2.1 SiC材料 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC（称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。 SiC是IV-IV族二元化合物半导体，也是周期表IV族元素中唯一的一种固态化合物。构成元素是Si和C，每种原子被四个异种原子所包围,形成四面体单元(图25a)。原子间通过定向的强四面体SP3键(图25b)结合在一起，并有一定程度的极化。SiC具有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献约占12%,决定了
宽禁带半导体
半导体材料种类繁多，分类方法各不相同，一般将以硅(Si)、锗(Ge)等为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料；以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)等为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料；以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN）、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料[1]。以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从20世纪50年代开始，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域[2]。 20世纪90年代以来，随着移动无限通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料开始兴起。由于其具有电子迁移率高、电子饱和漂移速度高等特点，适于制备高速和超高速半导体器件，目前基本占领手机制造器件市场[3]。 当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、 大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新发展起来了第三代半导体材料--宽禁带半导体材料，该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点[4]，这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前，由其制作的器件工作温度可达到600℃以上、抗辐照1×106rad；小栅宽GaNHEMT器件分别在4GHz下，功率密度达到40W/mm；在8GHz，功率密度达到30W/mm；在18GHz，功率密度达到9.1W/mm；在40GHz，功率密度达到10.5W/mm；在80.5GHz，功率密度达到2.1W/mm，等。因此，宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；而GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入[5]。氮化铝、金刚石、氧化锌等宽禁带半导体技术研究报道较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜力，相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。 1宽禁带半导体材料 1.1碳化硅单晶材料 在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点[6]。从结构上讲，SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位[7]。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种[8]。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。 第一代、第二代半导体材料和器件在发展过程中已经遇到或将要遇到以下重大挑战和需求[9,10]： (1)突破功率器件工作温度极限，实现不冷却可工作在300℃～600℃高温电子系统。 (2)必须突破硅功率器件的极限，提高功率和效率，从而提高武器装备功率电子系统的性能。 (3)必须突破GaAs功率器件的极限，在微波频段实现高功率密度，实现固态微波通讯系统、雷达、电子对抗装备更新换代。 (4)必须拓宽发光光谱，实现全彩显示、新的光存储、紫外探测以及固态照明。 随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。 SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、 欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国
磁场的测定(霍尔效应法)汇总
霍尔效应及其应用实验 (FB510A型霍尔效应组合实验仪)（亥姆霍兹线圈、螺线管线圈） 实 验 讲 义 长春禹衡时代光电科技有限公司
实验一 霍尔效应及其应用 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。 【实验目的】 1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的S H I ~V 和M H I ~V 曲线。 3．确定试样的导电类型。 【实验原理】 1．霍尔效应： 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场H E 。如图1所示的半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，则在Y 方向即试样A A '- 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图1（a ）所示的N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，（b ）的P 型试样则沿Y 方向。即有 ) (P 0)Y (E )(N 0)Y (E H H 型型?>?< 显然，霍尔电场H E 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力H E e ?
霍尔效应实验方法
实验: 霍尔效应与应用设计 [教学目标] 1. 通过实验掌握霍尔效应基本原理，了解霍尔元件的基本结构； 2. 学会测量半导体材料的霍尔系数的实验方法和技术； 3. 学会用“对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 [实验仪器] 1.TH －H 型霍尔效应实验仪，主要由规格为>2500GS/A 电磁铁、N 型半导体硅单晶切薄片式样、样品架、I S 和I M 换向开关、V H 和V σ（即V AC ）测量选择开关组成。 2.TH －H 型霍尔效应测试仪，主要由样品工作电流源、励磁电流源和直流数字毫伏表组成。 [教学重点] 1． 霍尔效应基本原理； 2． 测量半导体材料的霍尔系数的实验方法； 3． “对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 [教学难点] 1． 霍尔效应基本原理及霍尔电压结论的电磁学解释与推导； 2． 各种副效应来源、性质及消除或减小的实验方法； 3． 用最小二乘法处理相关数据得出结论。 [教学过程] （一）讲授内容： (1)霍尔效应的发现： 1879，霍尔在研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现： “电流通过金属，在磁场作用下产生横向电动势” 。这种效应被称为霍尔效应。 结论：d B I ne V S H ?=1 (2)霍尔效应的解释： 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。当载
流子所受的横电场力H e eE f =与洛仑兹力evB f m =相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡， B e eE H v = （1） bd ne I S v = （2） 由 （1）、（2）两式可得： d B I R d B I ne b E V S H S H H =?= ?=1 （3） 比例系数ne R H 1=称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数， (3) 霍尔效应在理论研究方面的进展 1、量子霍尔效应(Quantum Hall Effect) 1980年，德国物理学家冯?克利青观察到在超强磁场（18T ）和极低 温(1.5K ）条件下,霍尔电压 UH 与B 之间的关系不再是线性的，出现一 系列量子化平台。 量子霍尔电阻 获1985年诺贝尔物理学奖！ 2、分数量子霍尔效应 1、1982年，美国AT&T 贝尔实验室的崔琦和 斯特默发现：“极纯的半导体材料在超低温(0.5K) 和超强磁场(25T)下，一种以分数形态出现的量子电 阻平台”。 2、1983 年，同实验室的劳克林提出准粒子理 论模型，解释这一现象。 获1998年诺贝尔物理学奖 i e h I U R H H H 1 2?==3,2,1=i
半导体带隙宽度测量
半导体带隙宽度测量 实验目的 1.当通过纯的锗晶体的电流是恒定时，晶体两端的电压降是温度的函数，以此原理设定 实验来计算锗晶体电导率s与温度的关系。 2.确定锗的带隙宽度Eg 实验原理 "根据欧姆定律，电流密度和电场E 的关系是" "j =σE" 系数σ被称为电导率，由于此参数强烈依赖于材料本身性质，因此可以依其将材料按照导电性分为导体、半导体和绝缘体。例如，对半导体固体而言，在低温下不产生电流，而在较高温度下可测得其电导率。其电导率由温度决定的原因是半导体具有特定的电子能带结构。对于这种价电子带，全部或部分填充在基态的最高带，导电带和下面 未""被填充的带之间被带隙Eg 所分割。两个带之间是不被电子填充的，未掺杂的，称为禁区。而在高温下，越来越多的电子从价电子带被激发到导电带，它们会在价电子带留下像正电荷一样移动的“空穴”，因此可以像电子一样形成电流。
这种由价电子带的电子激发到导电带而形成的导电性称为内传导。由于热平衡状态下，价电子带“空穴”的数量与导电带中电子的数量相等，内传导情形下的电流密度可以写作下述式子 ()i i i i p j e n v en v =-+ 其中：电子或空穴的密度 i n 电子的平均漂移速度Vn 和穴的平均漂移速度Vp 和电场强度E 成正比,有: n n E νμ=-和()i i i n p e n μμσ=+ n μ和p μ取正值 ()i i i n p j E e n μμ=+ 对比可以导出： ()i i i n p e n μμσ=+ 因此有： a I bc U σ= 32 2 22( ) n m kT N h π=和 32 2 22( ) p m kT P h π= 以上两式是导电带和价电子带中的有效状态密度，m n 和m p 也取决于温度，在低温下，近似为m 正比于T 32 ，而在高温下较为精准。 由指数函数式，电导率可以近似表示为 20g E KT e σσ= 或者 ln s i =ln s 0-E g 2kT 在电流恒定情况下 I jbc =
宽禁带半导体光电材料研究进展
宽禁带半导体光电材料的研究及其应用 宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。主要包 括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好,具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。 以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物作为第三代半导体材料,是一种良好的直 接宽隙半导体光电材料,其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。近年来已相继制造出了蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器,这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示,制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件,外空间紫外探测,雷达,光盘存储精细化、高密度,微波器件高速化等奠定了基础。 氮化镓和砷化镓同属III-V族半导体化合物,但氮化镓是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光,其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短,这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积,从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比,它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上,而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方 面具有明显的实用价值,同时在光电子领域的其他方面也可以得 到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点,但由于氮 化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结,氮化 镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的 努力,1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材
霍尔效应法测量磁场
霍尔效应测磁场 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。1879 年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象， 故称霍尔效应。后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属 的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人 们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到实用和发 展，现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。在电 流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔效应实验不断有新发现。1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。 在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。 【实验目的】 1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用 2．测绘霍尔元件的V H—Is，了解霍尔电势差V H与霍尔元件工作电流Is、磁感应强度B之间的关系。 3．学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。 4．学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 【实验原理】 霍尔效应从本质上讲，是运动的带电粒子在 磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。当带电 粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种 偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正 负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电 场。如图13-1所示，磁场B位于Z的正向，与 之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is（称 为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材 料），它沿着与电流Is相反的X负向运动。 由于洛仑兹力f L作用，电子即向图中虚线 箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B 侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。 与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力f E的作用。随着电荷积累的增加，f E增大，当两力大小相等（方向相反）时，f L=－f E，则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之间建立的电场称为霍尔电场E H，相应的电势差称为霍尔电势V H。 设电子按均一速度v，向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛仑兹力为：
【CN109932356A】一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910214536.6 (22)申请日 2019.03.20 (71)申请人 福建师范大学 地址 350108 福建省福州市闽侯县上街镇 大学城福建师范大学科技处 (72)发明人 陈越 黄志高 林应斌 (74)专利代理机构 福州君诚知识产权代理有限 公司 35211 代理人 戴雨君 (51)Int.Cl. G01N 21/71(2006.01) (54)发明名称 一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的 测量方法 (57)摘要 本发明公开一种半导体载流子类型判断及 禁带宽度的测量方法，利用开尔文探针法测量非 本征半导体材料不同温度下的功函数，得到材料 费米能级随温度的变化规律，判断其载流子类 型；在此基础上，结合非本征半导体材料功函数 随温度变化的关系，分析电子热激发引起的费米 能级与导带、价带的相对位置变化关系，求出禁 带宽度。本发明测量方法基于半导体能带理论, 相比于传统光学带隙测量方法，在准确度大幅提 高的同时，也可对非透光半导体材料的禁带宽度 进行测量。权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 109932356 A 2019.06.25 C N 109932356 A
1.一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：步骤1，将半导体材料均匀设置于导热良好的金属样品台上，并于基底形成良好的欧姆接触，该“材料-基底”即为测量样品； 步骤2，将样品置于配有开尔文探针的真空控温腔内并抽真空，记录样品初始温度T 0，并 量测此温度下样品材料的功函数功函数即真空能级E Ψ与费米能级E f 之差； 步骤3，逐步提高半导体材料温度使之发生热激发，并利用开尔文探针测量获取升温过程中不同温度下样品的功函数； 步骤4，根据非本征半导体材料费米能级和功函数随温度变化图判断样品类型；当样品功函数随温度升高而减小，则为P型半导体； 当样品功函数随温度升高而增大，则为n型半导体； 步骤5，继续提高半导体材料温度直至开尔文探针所测材料功函数不随温度变化时，获取此时半导体材料发生饱和本征激发时的“饱和温度”T S ； 步骤6，利用升温过程中不同温度下的费米能级位置和“饱和温度”值计算分析得到半导体材料的禁带宽度E g ； 具体计算公式为： 其中，k B 为玻尔兹曼常数，T s 为饱和温度，为T s 温度下的费米能级，为0K温度下的费米能级，c为半导体材料性质相关的常数。 2.根据权利要求1所述的一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，其特征在于：，步骤1中半导体材料为半导体材料薄膜或半导体材料粉末。 3.根据权利要求1所述的一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，其特征在于：步骤1中半导体材料在金属样品台的厚度不低于200nm。 4.根据权利要求1所述的一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，其特征在于：步骤6中半导体材料性质相关的常数c的计算步骤如下： 步骤6.1，选择10个温度点并获取对应的样品功函数，两两代入公式5分别计算得到多 组半导体材料性质相关的常数c， 其中，E V 价带能级，k B 为玻尔兹曼常数，T 1为第一个温度点温度，为T 1温度下的费米能级，为T 1温度下的样品功函数，T 2为第二个温度点温度，为T 2温度下的费米能级，为T 2温度下的样品功函数； 步骤6.2，利用逐差法求出多组半导体材料性质相关的常数c的平均值，并将c的平均值作为该半导体材料性质相关的常数c。 权 利 要 求 书1/1页2CN 109932356 A
宽禁带半导体材料特性及生长技术_何耀洪
宽禁带半导体材料特性及生长技术 何耀洪, 谢重木 (信息产业部电子第46所,天津,300220) 摘要:叙述了宽带半导体材料SiC、G aN的主要特性和生产长方法,并对其发展动态和存在问题进行了简要评述。 关键词:宽禁带半导体材料;碳化硅;氮化硅 中图分类号:TN304 文章编号:1005-3077(1999)-04-0031-09 The Characteristics and Growth Methods of Wide Bandgap Semiconductor Materials HE Yaohong, XIE Chongmu (T he46th Research Institute,M.I.I.,T ianjin,300220) A bstract:The paper presents the main characteristics and g rowth methods o f wide bandgap semiconduc- tor materials,In aditio n,the lastest developments and problems o n SiC and GaN to be reviewed. Key words:w ide bandgap semiconductor materials;SiC;G aN 1 引 言 在半导体工业中,人们习惯地把锗(Ge)、硅(Si)为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料,把砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料,而把碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的化合物半导体材料称为第三代半导体材料,由于SiC和GaN材料的禁带宽度较Si、GaAs等材料更宽,因而它们一般具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频及大功率器件,故称这类材料为宽禁带半导体材料,也称高温半导体材料。它们在微电子和光电子领域中具有十分广阔的应用潜在优势,如AlGaN HFET最大振荡频率超过100GHz,功率密度大于5.3W/m m(在10GHz时),4H-SiC M EFET在850M Hz(CW)和10GHz(PW)时功率密度3.3W/mm,4H-SiC PIN二极管击穿电压高达5.5kV;在可见光全光固体显示、高密度存储、紫外探测及在节能照明(半导体激光光源能耗仅为相当亮度白炽灯泡的十分之一,而寿命长达10～15年)等方面开创了广阔的应用前景。 2 SiC材料特性及生长技术 近年来,随着半导体器件在航空航天、石油勘探,核能、汽车及通信等领域应用的不断扩 收稿日期:1999-11-30
宽禁带半导体ZnO材料的调研开题报告
山东建筑大学毕业论文开题报告表班级： 姓名： 论文题目宽禁带半导体ZnO的调研一、选题背景和意义 Zn0是一种新型的II-VI族宽禁带半导体材料，具有优异的晶格、光电、压电和介电特性，和III-V族氮化物及II-VI族硒化物比具有很多潜在的优点。首先，它是一种直接带隙宽禁带半导体，室温下的禁带宽度为，与GaN()相近，而它的激子结合能()却比GaN()高出许多，因此产生室温短波长发光的条件更加优越；而且ZnO薄膜可以在低于500℃温度下获得，不仅可以减少材料在高温西制备时产生的杂质和缺陷，同时也大大简化了制备工艺；同时ZnO来源丰富，价格低廉，又具有很高的热稳定性和化学稳定性。ZnO在UV、蓝光LED和LDS器件等研究方面被认为是最有希望取代GaN的首选材料，ZnO已经成为国内外半导体材料领域一个新的研究热点。国内外有很多科研团队都在进行ZnO的研究．虽然Zn0暂时不能完全取代si 在电子产业中的基础地位，但是ZnO以其特殊的性质成为Si电路的补充。 国内外对于ZnO的研究一直是近几年半导体材料研究的热点。无论是薄膜ZnO、纳米ZnO或是体单晶ZnO，文献很好地总结了2003年之前的国外ZnO晶体的研究与发展状况。随着高质量、大尺寸单晶ZnO 生产已经成为可能，单晶ZnO通过加工可以作为GaN衬底材料。ZnO与GaN的晶体结构、晶格常量都很相似。晶格失配度只有2.2%(沿〈001〉方向)、热膨胀系数差异小，可以解决目前GaN生长困难的难题。GaN作为目前主要的蓝、紫外发光半导体材料，在DVD播放器中有重要的应用。由于世界上能生产ZnO单晶的国家不多，主要是美国、日
本。所以ZnO单晶生产具有巨大的市场潜力。近年来，材料制备技术的突破，纳米ZnO半导体的制备、性能及其应用成为材料学的一个研究热点。 本文介绍了ZnO薄膜具有的许多优异特性，优良的压电性、气敏性、压敏性和湿敏性，且原料廉价易得。这些特点使其在表面声波器件(SAW)、太阳能电池、气敏元件等领域得到广泛的应用。随着对ZnO紫外受激发射特性的研究和P型掺杂的实现，ZnO作为光电材料在紫外探测器、LED、LD等领域也有着巨大的应用潜力。另外本文还介绍了纳米氧化锌的许多优点和在许多方面的应用。 目前，我国各类氧化锌处于供不应求的状况，而以活性氧化锌和纳米氧化锌取代传统氧化锌是不可阻挡的趋势，可见，今后纳米氧化锌必会有非常广阔的市场前景。 二、课题关键问题及难点 要深入研究该方面的知识，就要涉猎很多方面的知识。作为本科学生，如何在现有知识的基础上，阅读并理解有关书目、文献，总结归纳相关理论和研究方法，是本课题首先要解决的关键问题。 首先，要了解氧化锌作为宽禁带半导体的特性，然后再细致的查找氧化锌薄膜的诸多性质和这些性质在哪些方面的应用。同时要寻找纳米氧化锌材料与普通氧化锌材料相比有哪些优点、在发展中存在的问题和以后的研究方向。查询相关资料并阅读和理解之后，合理的安排介绍氧化锌作为宽禁带半导体材料的性质和应用。 三、文献综述 当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需
光催化剂禁带宽度值计算方法
光催化剂光催化剂禁带宽度值禁带宽度值Eg 计算计算方法方法方法 方法1：利用紫外可见漫反射测量中的吸光度与波长数据作图，利用截线法做出吸收波长阈值λg(nm)，利用公式 Eg=1240/λg (eV) 计算禁带宽度。 方法2： 利用 (Ah ν)2 对 h ν 做图，利用直线部分外推至横坐标交点，即为禁带宽度值。也可利用 (Ah ν)0.5 对h ν做图，利用直线部分外推至横坐标交点，即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度值，后者为直接半导体禁带宽度值。A (Absorbance) 即为紫外可见漫反射中的吸光度吸光度 吸光度。 方法3：利用 (αh ν)2 对h ν 做图，利用直线部分外推至横坐标交点，即为禁带宽度值。也可利用 (αh ν)0.5 对 h ν做图，利用直线部分外推至横坐标交点，即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度值，后者为直接半导体禁带宽度值。α (Absorption Coefficient ) 即为紫外可见漫反射中的吸收系数吸收系数 吸收系数。α与A 成正比。 方法4：利用 [F(R ∞)h ν]2 对 h ν 做图，利用直线部分外推至横坐标交点，即为禁带宽度值。也可利用 [F(R ∞)h ν]0.5 对h ν做图，利用直线部分外推至横坐标交点，即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度值，后者为直接半导体禁带宽度值。 F(R ∞) 即为Kubelka-Munk 函数函数，，简写为K-M 函数函数，∞∞∞?=R R R F 2/)1() (2 R ∞ 即为相对漫反射率即为相对漫反射率，，简称漫反射率简称漫反射率，)(/)(''参比样品∞∞∞=R R R R ‘∞ 即为绝对漫反射率绝对漫反射率，，常用参比样品为BaSO 4，其绝对漫反射率R ‘∞约等于1。 漫反射吸光度A 与漫反射率R ∞ 之间关系为之间关系为：：A=log(1/ R ∞)
霍尔效应实验报告(DOC)
大学 本(专)科实验报告 课程名称： 姓名： 学院： 系： 专业： 年级: 学号: 指导教师: 成绩: 年月日
? （实验报告目录） 实验名称 一、实验目的和要求 二、实验原理 三、主要实验仪器 四、实验内容及实验数据记录 五、实验数据处理与分析 六、质疑、建议
霍尔效应实验 一.实验目的和要求： 1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数. 2、测绘霍尔元件的s H I V -，M H I V -曲线了解霍尔电势差H V 与霍尔元件控制（工作）电流s I 、励磁电流M I 之间的关系。 ３、学习利用霍尔效应测量磁感应强度Ｂ及磁场分布。 ４、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。 5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 二．实验原理: 1、霍尔效应 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应，从本质上讲，霍尔效应是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积,从而形成附加的横向电场。 如右图（1）所示，磁场B 位于Z 的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X 正向通以电流s I (称为控制电流或工作电流)，假设载流子为电子(Ｎ型半 导体材料),它沿着与电流s I 相反的Ｘ负向运动。 由于洛伦兹力L f 的作用,电子即向图中虚线箭头所指的位于ｙ轴负方向的B 侧偏转，并使Ｂ侧形成电子积累，而相对的A 侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力E f 的作用。随着电荷积累量的增加,E f 增大，当两力大小相等(方向相反)时,L f =-E f ，则电子积累便达到动态平衡。这时在A 、B 两端面之间建立的电场称为霍尔电场H E ,相应的电势差称为霍尔电压H V 。 设电子按均一速度V 向图示的X 负方向运动，在磁场B 作用下,所受洛伦兹力为L f ＝-e V B 式中e 为电子电量，V 为电子漂移平均速度,B 为磁感应强度。 同时,电场作用于电子的力为 l eV eE f H H E /-=-= 式中H E 为霍尔电场强度,H V 为霍尔电压，l 为霍尔元件宽度
半导体物理-禁带宽度的测量
半导体物理-禁带宽度 的测量 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
半导体物理论文 ——半导体禁带宽度的测量方法 姓名 学号 单位六院六队
摘要 禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，本文先介绍了禁带 宽度的意义，它表示表示晶体中的公有化电子所不能具有的能量范围；表示表示价键束缚的强弱；表示电子与空穴的势能差；是一个标志导电性能好坏的重要参量，但是也不是绝对的等等。 其测量方法有利用S u b n i k o v2d e H a s s效应、带间磁反射或磁吸收、回旋共振和非共振吸收、载流子浓度谱、红外光吸收谱等等。 其中本文介绍了二种常见的测量方法：利用霍尔效应进行测 量和利用光电导法进行测量。
一，引言：关于禁带宽度 禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，用于表征半导体材 料物理特性。所谓禁带是指价带和导带之间，电子不能占据的能量范围，其间隔宽度即是禁带宽度E g.其涵义有如下四个方面：第一，禁带宽度表示晶体中的公有化电子所不能具有的能量 范围：即晶体中不存在具有禁带宽度范围内这些能量的电子，即禁带中没有晶体电子的能级。这是量子效应的结果。注意：虽然禁带中没有公有化电子的能级，但是可以存在非公有化电子（即局域化电子）的能量状态——能级，例如杂质和缺陷上电子的能级。 第二，禁带宽度表示价键束缚的强弱：半导体价带中的大量 电子都是晶体原子价键上的电子（称为价电子），不能够导电；对于满带，其中填满了价电子，即其中的电子都是受到价键束缚的价电子，不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即本征激发）而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度、或者价键强弱的一个物理量，也就是产生本征(热)激发所需要的平均能量。 价电子由价带跃迁到导带（即破坏价键）的过程称为本征激发。一个价电子通过热激发由价带跃迁到导带（即破坏一个价键）、而产生一对电子-空穴的几率，与禁带宽度E g和温度T有指数关系，即等于e x p(-E g/k T)。S i的原子序数比G e的小，则S i的价电子束缚得较紧，所以S i的禁带宽度比G e的要大一些。 G a A s的价键还具有极性（离子性），对价电子的束缚更紧，所以G a A s的禁带宽度更大。绝缘体的的价电子束缚得非常紧，则禁带宽度很大。金刚石在一般情况下就是绝缘体，因为碳（C）的原子序数很小，对价电子的束缚作用非常强，价电子一般都摆脱不了价键的束缚，则不能产生出载流子，所以不导电。 实际上，本征激发除了热激发的形式以外，还有其它一些形式。如果是光照使得价电子获得足够的能量、挣脱共价键而成为自由电子，这是光学本征激发（竖直跃迁）；这种本征激发所需要的平均能量要大于热学本征激发的平均能量——禁带宽度。如果是电场加速作用使得价电子受到高能量电子的碰撞、发生电离而成为自
氮化物宽禁带半导体—第三代半导体技术
氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术 张国义１，李树明２ 北掌大学韵曩最，卜蘑■一目毫重点宴■宣 ‘２北大董光科技酣青曩公司 北囊１∞耵１ ｉ盲謦。 莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量．巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状．市场分析与攮测．由此－ｕ蚪再｝１１．氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一．ｔ为第三代半■体拄术，育形成蠢科技臣夫产＿ｔ群的ｒ口艟 性．也存在着蠢积的竞争和蕞｛；‘翻舶风龄． 众所周知，以Ｇｅ，Ｓｉ为基础的半导体技术，奠定丁二十世纪电子工业的基础．其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品．形成了巨大的徽电子产业 群。其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度．如１２英寸／０．１５微米技术．是成 功的标志，被称之为第一代半导体技术．以Ｇ“ｓ．ＩｎＰ．包括Ｇ吐ｌ＾ｓ，ＩｆＩＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ瞢 ＩＩＩ—ｖ族砷化物和碑化韵半导体技术，奠定了二十世纪光电子产业的基础，其主要产品形 式是以光发射器件，如半导体发光二极管（Ｌ肋）和激光嚣（ＬＤ）等．为基础的光显示． 光通讯，光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。其技术水平标志是使通讯 速度，信息容量，存储密度大幅度提高，被称之为第二代半导体技术． 对徽电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题．高速仍然是微电子的追求目标，高温大功率还是没有很好解决的问题；光电子的 主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短波长（绿光．蓝光．咀至紫外波段）ＬＥＤ和 ＬＤ．光电集成（０ＥＩｃ）是人们长期追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的 实现。事实上．这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定，不可舱解决的问 题。它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料．而这一工作二十世纪后半叶就已经开 始．在世纪之交得以确认。那就是第三代半导体技术一ＩＩＩ一族氮化物半导体技术． ＧａＮ、ＡｌＮ和ＩｎＮ以及由它们组成的三元合金是主要的ＩＩＩ族氰化物材料．所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，而在一些特定的条件下，例如在立方豸多。 衬底上外延时，ＧａＮ和ＩｎＮ能够形成立方对称性的闪锌矿结构．这两种结构只是原子层的 堆积次序不同，它们的原予最近邻位置几乎完全相同，而次近邻位置有所不同，因而它们 的性质根接近。三元合金Ａ１ＧａＮ，ＩｎＧａＮ也是重要的氰化物材料。它们的禁带宽度基本符 合ｖｅｇａｒｄ定理［１，２］。№ｔｓｕｏｋａ［３］通过计算指出ＡｌＮ与ＧａＮ可咀组成组份连续变化的合 金，ＩｒＩＮ与ＧａＮ则存在较大的互熔间隙． 以氮化镓为基础的宽禁带半导体可以用来，并已经广泛用来制备高亮度蓝。绿光平＂白光ＬＥＤ，蓝光到紫外波段的激光器（ＬＤ），繁外光传感器，等光屯子器件：高温人功率场 设麻品体管（ＦＥＴ）．双极晶体管（ＨＢＴ），高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）等徽电子器 什：这些器件构成了全色火屏幕ＬＥＤ显示和交通信号灯等应Ｈｊ的ＲＧＢ１：鞋：向光ＬＥＤ将构 ?１７?
讲义_霍尔效应测量
变温霍尔效应 引言 1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力的情况时，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。在半导体材料中，霍尔效应比在金属中大几个数量级，引起人们对它的深入研究。霍尔效应的研究在半导体理论的发展中起了重要的推动作用。直到现在，霍尔效应的测量仍是研究半导体性质的重要实验方法。 利用霍尔效应，可以确定半导体的导电类型和载流子浓度，利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来研究半导体的导电机构（本征导电和杂质导电）和散射机构（晶格散射和杂质散射），进一步确定半导体的迁移率、禁带宽度、杂质电离能等基本参数。测量霍尔系数随温度的变化，可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的温度特性。 根据霍尔效应原理制成的霍尔器件，可用于磁场和功率测量，也可制成开关元件，在自动控制和信息处理等方面有着广泛的应用。 实验目的 1. 了解半导体中霍尔效应的产生原理，霍尔系数表达式的推导及其副效应的产生和消除。 2. 掌握霍尔系数和电导率的测量方法。通过测量数据处理判别样品的导电类型，计算室温下所测半导体材料的霍尔系数、电导率、载流子浓度和霍尔迁移率。 3. 掌握动态法测量霍尔系数（R H）及电导率（σ）随温度的变化，作出R H～1/T，σ～1/T曲线，了解霍尔系数和电导率与温度的关系。 4. 了解霍尔器件的应用，理解半导体的导电机制。 实验原理 1．半导体内的载流子 根据半导体导电理论,半导体内载流子的产生有两种不同的机构：本征激发和杂质电离。 （1）本征激发 半导体材料内共价键上的电子有可能受热激发后跃迁到导带上成为可迁移的电子，在原共价键上却留下一个电子缺位—空穴，这个空穴很容易受到邻键上的电子跳过来填补而转移到邻键上。因此，半导体内存在参与导电的两种载流子：电子和空穴。这种不受外来杂质的影响由半导体本身靠热激发产生电子—空穴的过程，称为本征激发。显然，导带上每产生一个电子，价带上必然留下一个空穴。因此，由本征激发的电子浓度n和空穴浓度p应相等，并统称为本征浓度n i，由经典的玻尔兹曼统计可得。 （2）杂质电离 在纯净的第IV族元素半导体材料中，掺入微量III或V族元素杂质，称为半导体掺杂。掺杂后的半导体在室温下的导电性能主要由浅杂质决定。 如果在硅材料中掺入微量III族元素（如硼或铝等），这些第III族原子在晶体中取代部分硅原子组成共价键时，从邻近硅原子价键上夺取一个电子成为负离子，而在邻近失去一个电子的硅原子价键上产生一个空穴。这样满带中电子就激发到禁带中的杂质能级上，使硼原子电离成硼离子，而在满带中留下空穴参与导电，这种过程称为杂质电离。产生一个空穴所需的能量称为杂质电离能。这样的杂质叫做受主杂质，由受主杂质电离而提供空穴导电为主