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广东工业大学半导体物理实验讲义

广东工业大学半导体物理实验讲义
广东工业大学半导体物理实验讲义

《半导体物理实验》实验指导书

广东工业大学物理与光电工程学院

电子科学与技术系

二0一四年九月修订

目录

实验一半导体的霍尔效应 (1)

实验二半导体PN结的温度特性及弱电流测量 (10)

实验三PN结电容的测量 (15)

实验四四探针法测半导体材料电阻率及方块电阻 (22)

实验五少子寿命及硅缺陷的观察 (28)

实验六表面电阻和体电阻测量 (41)

实验一 半导体的霍尔效应

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V H -I S 和V H -I M 曲线。

3.确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。 【实验仪器】

霍尔效应实验组合仪。 【实验原理】

X

Y

Z

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1.1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1.1(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)()(N 0)(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 eE 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

B v e eE H = (1-1)

其中H E 为霍尔电场,v 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

设试样的宽为b ,厚度为d ,载流子浓度为n ,则

bd v ne I S = (1-2) 由(1-1)、(1-2)两式可得:

d

B I R d B

I ne b E V S H S H H ===1 (1-3)

即霍尔电压H V (A 、A /电极之间的电压)与B I S 乘积成正比,与试样厚度d 成反比。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。只要测出H V (伏)以及知道S I (安)、B (高斯)和d (厘米)可按下式计算H R (厘米3/库仑):

R H =

810?B

I d

V S H (1-4) 上式中的108是由于磁感应强度B 用电磁单位(高斯)而其它各量均

采用CGS 实用单位而引入。

2.霍尔系数H R 与其它参数间的关系 根据H R 可进一步确定以下参数:

? 由H R 的符号(或霍尔电压的正负)判断样品的导电类型。判别的方法是按图1.1所示的I S 和B 的方向,若测得的,V V A 'A H 0<=即点A 点电位高于点'A 的电位,则H R 为负,样品属N 型;反之则为P 型。 ? 由R H 求载流子浓度n 。即e

R n H 1=

。应该指出,这个关系式是假

定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的,严格一点,如果考虑载流子的速度统计分布,需引入8

的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》)。

? 结合电导率的测量,求载流子的迁移率μ。电导率σ与载流子浓度n 以及迁移率μ之间有如下关系:

μσne = (1-5)

即μ=σ|R |H ,测出σ值即可求μ。

3.霍尔效应与材料性能的关系

根据上述可知,要得到大的霍尔电压,关键是要选择霍尔系数大(即迁移率高、电阻率ρ亦较高)的材料。因μρ=|R |H ,就金属导体而言,μ和ρ均很低,而不良导体ρ虽高,但μ极小,因而上述两种材料的霍尔系数都很小,不能用来制造霍尔器件。半导体μ高,ρ适中,是制造霍尔元件较理想的材料,由于电子的迁移率比空穴迁移率大,所以霍尔元件多采用N 型材料,其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比,因此薄膜型的霍尔元件的输出电压较片状要高得多。就霍尔器件而言,其厚度是一定的,所以实用上采用ned

K H 1

=来表示器件的灵敏度,H K 称为霍尔灵敏度,单位为mV/(mA.T )。 4.实验方法

? 霍尔电压H V 的测量方法

值得注意的是,在产生霍尔效应的同时,因伴随着各种副效应,以致

实验测得的A 、A '两极间的电压并不等于真实的霍尔电压H V 值,而是包含着各种副效应所引起的附加电压,因此必须设法消除。根据副效应产生的机理可知,采用电流和磁场换向的对称测量法,基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。即在规定了电流和磁场正、反方向后,分别测量由下列四组不同方向的S I 和B 组合的A 'A V ('A 、A 两点的电位差)即:

+B,+S I A 'A V =1V -B,+S I A 'A V =2V -B,-S I A 'A V =3V +B,-S I A 'A V =4V

然后求1V 、2V 、3V 和4V 的代数平均值。

H V =

4

4

321V V V V -+- (1-6)

通过上述的测量方法,虽然还不能消除所有的副效应,但其引入的误差不大,可以略而不计。 ? 电导率σ的测量

σ 可以通过图1.1所示的A、C(或'

A 、'C )电极进行测量,设A、

C间的距离为l ,样品的横截面积为bd S =,流经样品的电流为S I ,在零磁场下,

若测得A 、C 间的电位差为σV (即AC V ),可由下式求得:

σ=

S

V l

I S σ (1-7)

【实验步骤】

1.掌握仪器性能,连接测试仪与实验仪之间的各组连线

? 开关机前,测试仪的“I S 调节”和“I M 调节”旋钮均置零位(即逆时针旋到底)。

? 按图1.2 连接测试仪与实验仪之间各组连线。注意:①样品各电极引线与对应的双刀开关之间的连线已由制造厂家连接好,请勿再动!②严禁将测试仪的励磁电源“I M 输出”误接到实验仪的 “I S 输入”或“VH、

σV 输出”处,否则,一旦通电,霍尔样品即遭损坏!样品共有三对电极,其中A 、A /或C 、C /用于测量霍尔电压H V ,A 、C 或A /、C /用于测量电导,D 、E 为样品工作电流电极。样品的几何尺寸为:d=0.5mm ,b=4.0mm ,A 、

C 电极间距l =3.0mm 。仪器出产前,霍尔片已调至中心位置。霍尔片性脆易碎,电极甚细易断,严防撞击,或用手去摸,否则,即遭损坏! 霍尔片放置在电磁铁空隙中间,在需要调节霍尔片位置时,必须谨慎,切勿随意改变y 轴方向的高度,以免霍尔片与磁极面磨擦而受损。

? 接通电源,预热数分钟,电流表显示“.000”( 当按下“测量选择”键时 )或“0.00”(放开“测量选择”键时),电压表显示为“0.00”。

? 置“测量选择”于I S 挡(放键),电流表所示的值即随“I S 调节”旋钮顺时针转动而增大,其变化范围为0-10mA ,此时电压表所示读数为“不等势”电压值,它随I S 增大而增大,I S 换向,VH极性改号(此乃“不等势”电压值,可通过“对称测量法”予以消除)。

图1.2 实验线路连接装置图

? 置“测量选择”于I M 挡(按键),顺时针转动“I M 调节” 旋钮,电流表变化范围为0-1A 。此时H V 值随I M 增大而增大,I M 换向,VH极性改号(其绝对值随I M 流向不同而异,此乃副效应而致,可通过“对称测量法”予以消除)。至此,应将“I M 调节”旋钮置零位(即逆时针旋到底)。

? 放开测量选择键,再测S I ,调节mA 2I S ≈,然后将“σV ,V H 输出”

A C

A / C /

切换开关倒向σV -侧,测量σV 电压(C ,A 电极间电压);S I 换向,σV 亦改号。这些说明霍尔样品的各电极工作均正常,可进行测量。将“σV ,V H 输出”切换开关恢复H V 一侧。 2.测绘S H I V -曲线

将测试仪的“功能切换”置H V ,S I 及M I 换向开关掷向上方,表明S

I 及M I 均为正值(即S I 沿X 轴方向,M I 沿Y 轴方向)。反之,则为负。保持M I 值不变(取M I =0.600A ),改变S I 的值,S I 取值范围为

mA 00.400.1-。将实验测量值记入表1.1中。

表1.1 M I =0.600A S I 取值范围为mA 00.400.1-

M H 保持S I 值不变(取S I =3.00mA ),改变M I 的值,M I 取值范围为

A 800.0300.0-。将测量数据记入表1.2中。

表1.2 S I =3.00mA M I 取值范围为A 800.0300.0-

4.测量σV 值

“H V σV 输出”倒向σV 侧,“功能切换”置σV 。在零磁场下(0I M =),弹起“测量选择”,取S I =2.00mA(另一型号测试仪S I =0.25mA),测量Ac V (即σV )。注意:S I 取值不要大于mA 2(或0.25mA ),以免σV 过大使毫伏表超量程(此时首位数码显示为1,后三位数码熄灭)。H V 和σV 通过功能切换开关由同一只数字电压表进行测量。电压表零位可通过调零电位器进行调整。当显示器的数字前出现“-”时,被测电压极性为负值。 5.确定样品导电类型

将实验仪三组双刀开关均掷向上方,即S I 沿X 方向,B 沿Z 方向,毫伏表测量电压为A A V '

。取A I mA mA I M S 6.0)25.0(2==,或

,测量A A V '大小及极性,由此判断样品导电类型。 6.求样品的σ、、n R H 和μ值 附录:霍尔器件中的副效应及其消除方法 1.不等势电压0V

这是由于测量霍尔电压的电极A和A /位

置难以做到在一个理想的等势面上,因此当有电流S I 通过时,即使不加磁场也会产生附加的电压0V =r I S ,其中r 为A、A /所在的两个等势面之间的电阻(如图1.3 所示)。0V 的符号只与电流S I 的方向有关,与磁场B的方向无关,因此,0V 可以通过改变S I 的方向予以消除。

2.温差电效应引起的附加电压E V 如图1.4所示,由于构成电流的载流子速

度不同,若速度为v 的载流子所受的洛仑兹力与霍尔电场力的作用刚好抵消,则速度大于或小于v 的载流子在电场和磁场作用下,将各自朝对立面偏转,从而在Y 方向引起温差'A A T T -,由此产生的温差电效应。在'A ,A 电极上引入附加电压E V ,且B I V S E ∝,其符号与S I 和B 的方向关系跟H V 是相同的,因此不能用改变S I 和B 方向的方法予以消除,但其引入的误差很小,可以忽略。

3.热磁效应直接引起的附加电压N V

因器件两端电流引线的接触电阻不等,通电后在接触点两处将产生不同的焦尔热,导致在X 方向有温度梯度,引起载流子沿梯度方向扩散而产生热扩散电流。热流Q 在Z 方向磁场作用下,类似于霍尔效应在Y 方向上产生一附加电场N ε,相应的电压QB V N ∝,而N V 的符号只与B 的方向有关,与S I 的方向无关。因此可通过改变B 的方向予以消除。 4.热磁效应产生的温差引起的附加电压RL V 如上所述的X 方向热扩散电流,因载流子的速度统计分布,在Z 方向的B 作用下,和2中所述同理将在Y 方向产生温度梯度'A A T T -,由此引入的附加电压QB V RL ∝,RL V 的符号

只与B 的方向有关,亦能消除之。

综上所述, 实验中测得的A 、'A 之间的电压除H V 外还包含

,V ,V ,V RL N 0和E V 各个电压的代数和,其中,V ,V ,V RL N 0均可以通过S I 和B 换

向对称测量法予以消除。

设定电流S I 和磁场B 的正方向,即

当B ,I S ++ 时,测得A 、'A 之间的电压:E RL N H V V V V V V ++++=01 当B ,I S -+ 时,测得A 、'A 之间的电压:E RL N H V V V V V V ---+-=02 当B - ,I S -时,测得A 、'A 之间的电压:E RL N H V V V V V V +---=03 当B ,I S +- 时,测得A 、'A 之间的电压:E RL N H V V V V V V -++--=04 求以上四组数据4321V ,V ,V ,V 的代数平均值,可得 4

4

321V V V V V V E H -+-=

+

由于E V 符号与B ,I S 两者方向关系和H V 是相同的,故无法消除,但在电流

S I 和磁场B 较小时,E H V V >>,因此,E V 可略去不计,所以霍尔电压为 4

4

321V V V V V H -+-=

实验二 半导体PN 结的物理特性及弱电流测量

一、实验目的

1、在室温时,测量PN 结电流与电压关系。

2、在不同温度条件下,测量PN 结电流与电压关系并计算玻尔兹曼常数。

3、掌握用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流的方法。 二、实验仪器及材料

1、PN 结物理特性测定仪;

2、测试电路;

3、保温杯及温度计。 三、实验原理

1、PN 结物理特性及玻尔兹曼常数测量

由半导体物理学可知,P N 结的正向电流-电压关系满足:

]1)/[exp(0-=kT eU I I (2-1)

式(2-1)中I 是通过PN 结的正向电流,0I 是不随电压变化的常数,T 是热力学温度,e 是电子电量,U 为PN 结的正向压降。由于在常温(300K 时),kT /e ≈ 0.026V ,而P N 结正向压降约为十分之几伏,则 exp(/)eU kT 》1,

(2-1)式括号内1完全可以忽略,于是有:

)/exp(0kT eU I I = (2-2) 即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN 结I -U 关系值,则利用(2-2)式可以求出e/KT 。在测得温度T 后,就可以得到e/K 常数,把电子电量作为已知值代入,即可求得玻尔兹曼常数K 。

在实际测量中,二极管的正向I -U 关系虽然能较好满足指数关系,但求得的常数K 往往偏小。这是因为通过二极管电流不只是扩散电流,还有其它电流。一般包括三个部分:〔1〕扩散电流,它严格遵循(2-2)式;〔2〕耗尽层复合电流,它正比于)2/exp(kT eU ;〔3〕表面电流,它是Si 和2SiO 界面中杂质引起的,其值正比于)/exp(mkT eU ,一般m>2。因此,为了验证(2-2)式及求出准确的e/K 常数,不宜采用硅二极管,而采用硅三极管接成共基极线路,因为此时集电极与基极短接,集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电流主要在基极出现,测量集电极电流时,将不包括它。本实验中选取性能良好的硅三极管(TIP41型),实验中又处于较低的正向偏置,这样表面电流影响也完全可以忽略,所以此时发射极电流与结电压将满足(2-2)式。实验线路如图2.1所示。

图2.1 实验线路图

2、弱电流测量

过去实验中A A 1161010---量级弱电流采用光点反射式检流计测量,该仪器灵敏度较高约A 910-/分度,但有许多不足之处。如十分怕震,挂丝易断;使用时稍有不慎,光标易偏出满度,瞬间过载引起挂丝疲劳变形,产生不回零点及指示差变大,使用和维修不方便等。近年来,集成电路与数字化显示技术越来越普及。高输入阻抗运算放大器性能优良,价格低廉,用它组成电流-电压变换器测量弱电流信号,具有输入阻抗低,电流灵敏度高,温飘小、线性好、设计制作简单,结构牢靠等优点,因而被广泛应有于物理测量中。

LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器,用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2.2所示。其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等输入阻抗。由图2.2可知,运算放大器的输出电压为0U :

0U =-i U K 0 (2-3) 式(2-3)中 i U 为输入电压,0K 为运算放大器开环电压增益,即图2.2中电阻∞→f R 时的电压增益,f R 称反馈电阻。因为理想放大器的输入阻抗∞→f r ,所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。因而有:

f i f i s R K U R U U I /)1(/)(00+=-= (2-4)

Ω

V

V

R f

R r

图2.2 电流-电压变换器

由(2-4)式可得电流-电压变换器等效输入阻抗r Z 为

r Z =i U /s I =f R /(1+0K )≈f R /0K (2-5) 由(2-3)式和(2-4)式可得电流-电压变换器输入电流与输入电压之间的关系式,即: s I =-

K U (1+0K )/f R =-0U (1+1/0K )/f R ≈-0U /f R (2-6) 由(2-6)式知,测得输入电压0U 和已知f R 值,即可求得s I 值。以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来讨论r Z 和s I 值的大小。对LF356运放的开环增益0K =2510?,输入阻抗Ω≈1210i r 。若取f R 为1.00M Ω,则由(2-5)式可得:

r Z =1.00Ω=?+Ω?5)1021/(1056

若选用四位半量程200mV 数字电压表,它最后一位变化为0.01mV ,那么用上述电流-电压变换器能显示最小电流值为:

(s I )min =0.01A V 1163101)101/(10--?=Ω??

由此说明,用集成运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流具有输入阻抗小、灵敏度高的优点。 四、实验步骤

1、实验线路如图2.1所示,先通过长软导线,将显示部分与操作部分之间的接线端一一对应连接起来。

2、图2.1中1U 为三位半数字电压表,2U 为四位半数字电压表,三极管型号为TIP41。调节电压的分压器为多圈电位器,为保持PN 结与周围环境温度一致,把TIP41型三极管置于试管内,试管下端插在保温杯中,保温杯盛有温水。试管内温度用0-50C ?的水银温度计测量。

3、在室温情况下,测量三极管发射极与基极之间电压U 1和相应电压U 2。在常温下,U 1的值约从0.3V 至0.42V 范围每隔0.01V 测一个数据点,约测10多个数据点,至U 2达到饱和(U 2值变化较小或基本不变)时结束测量。测量结果填于表2-1中,在记数据开始和记数据结束时都要同时记录温度θ,取温度平均值θ。

表2-1

4、改变保暖杯内水温,使水温达到约50℃,每降5℃重复测量U 1和U 2的关系数据,填于表2-1中,并与室温测得的结果进行比较。(也可在保温杯内放冰屑做实验)

5、用作图法求经验公式:取U 1、U 2的数据,计算ln U 2。以U 1为横坐标,lnU 2为纵坐标,将数据点在坐标纸上标出,将各数据点连接起来,若成一直线,则说明满足(2-2)式关系。

由集成运算放大器知,2c U I ∝,而e c I I ~,据(2-2)式得

U 2=aexp (bU 1) 则 ln 2U =b 1U +lna

故斜率 b =

kT

e 5、将电子电量e 和测量温度T 代入b 式。其中T =273.15+θ,求出玻尔兹曼常数k

k =T

b e

? 注意事项

1、处理数据时,对于扩散电流太小(起始状态)及扩散电流接近或达到饱和状态时的数据,在处理数据时应删去,因为这些数据可能偏离公式(2-2)。

2、必须恒温装置上温度计读数,待所加热水与TIP41三极管温度处于相同温度时(即处于热平衡时),才能记录U 1和U 2数据。

3、用本装置做实验,TIP41型三极管温度可采用的范围为0-50℃。若要在-120℃-0℃温度范围内做实验,必须采用低温恒温装置。

4、由于各公司的运算放大器(LF356)性能有些差异,在换用LF356时,有可能同台仪器达到饱和电压U 2值不同。

5、本仪器电源具有短路自动保护,运算放大器若15V 接反或地线漏电,本仪器也有保护装置,一般情况集成电路不易损坏。请忽将二极管保护装置拆除。 参考资料

1、沈元华 陆生龙 《基础物理实验》北京:高等教育出版社 2004.1

实验三 PN 结电容的测量

一、 概述

在直流或低频下,p-n 结有很好的整流特性。但当电压频率增高时,整流特性变坏,甚至无整流效应。这种现象是由p-n 结电容引起的,p-n 结电容是p-n 结的主要特性之—。它包括势垒电容和扩散电容。

p-n 结外加偏压变化时,势垒区的空间电荷数量随外加偏压变化,这和电容器的充放电作用相似,故称为空间电荷区电容,也叫势垒电容,用

T C 表示.

p-n 结外加偏压变化时,扩散区中电荷数量随着变化,由此而产生的电容称为扩散电容,用D C 表示。

两种电容与电压的关系可用下式表示:

dV

dQ

c

(3-1) 当p-n 结外加电压随时间变化时,势垒电容也随时间变化,利用这一特性可制作变容器件。同时利用p-n 结电容随外加电压的变化规律,可以确定突变结轻掺杂一侧杂质浓度,或线性缓变结杂质浓度梯度,也可确定p-n 结接触电势差。 二、 实验目的

1、了解p-n 结电容随外加电压变化的一般规律。

2、 了解单边突变结或线性缓变结中的势垒电容与外加反偏电压的关系。

3、 掌握用高频Q 表测量反向偏压下晶体管p-n 结的结电容的原理与方法。 三、 实验原理

1.p-n 结电容随外加电压的变化规律

p-n 结势垒电容的实质是,当p-n 结外加正向偏压增加(或反向偏压减小)时,势垒区宽度变窄,空间电荷数量减少。因为空间电荷由不能移动的杂质离子组成,所以空间电荷的减少是由于n 区的电子和p 区的空穴过来中和了势垒区中的电离施、受主离子,即将一部分电子和空穴“存入”势垒区。反之,当p-n 结外加正向偏压减小(或反向偏压加大)时,势垒区变宽,空间电荷数量增加。这就意味着有一部分电子和空穴从势垒区中“取出”。这种载流子在空间电荷区中的“存入”和“取出”,如同一个 平行板电容器的充电与放电。不同的是,p-n 结空间电荷区宽度随外加电压变化,示意图如图3.1。

图3.1 p-n 结势垒电容

由半导体物理可知,对于单边突变结,若p-n 结面积为A ,则势垒电容

2

10)(2???

???-=V V qN A C D B r T εε (3-2)

式中 B N --- p-n 结轻掺杂一侧杂质浓度; r ε---半导体介电常数; 0ε---真空介电常数。

对于线性缓变结有

3

1

2

20)(12????

????-=V V qa A C D r j T εε (3-3)

式中 j a ---杂质浓度梯度。

从式(3-2)和(3-3)看出,突变结势垒电容和结的面积及轻掺杂一侧杂质浓度有关,线性缓变结势垒电容与结面积及杂质浓度梯度有关。为了减小势垒电容,可以减小结面积和轻掺杂一侧杂质浓度或杂质浓度梯度。

外,从公式还可看出,势垒电容正比于[]21--V V D 或[]31

--V V D 。这说明反

向偏压越大,则势垒电容越小。

p-n 结扩散电容指的是p-n 结外加正向偏压时,电子和空穴在p 区和n 区中形成非平衡载流子的积累。当正向偏压增加时,在扩散区中积累的非平衡载流子也增加,即n 区扩散区内积累的非平衡空穴和与之保持电中性的电子以及P 区扩散区中积累的非平衡电子和与之保持电中性的空穴均增加,导致扩散区内电荷数量随外加电压变化,形成扩散电容,扩散电容随正向偏压按指数关系增长。

在反向偏压或小的正向偏压作用下,以势垒电容为主;在大的正向偏压作用下,以扩散电容为主。

本实验主要测晶体管结电容在反向偏压作用下的电容变化值,故以势垒电容为主。

2.由p-n 结势垒电容测量结附近的杂质浓度和杂质浓度梯度 对于单边突变结,将式(3-2)两边平方取倒数,得

B

r D T

qN A V V C εε02

2

)

(21-=

(3-4) 上式对V 求微分

B

r T qN A dV C d εε022

2

)/1(= (3-5)

用实验作出2

/1T C ~V 的关系为一条直线,式(3-5)为直线的斜率。因此,可由斜率求得轻掺杂一侧的杂质浓度B N ,直线的截距可确定p-n 结接触电势D V 。

对线性缓变结,将式(3-3)两边立方取倒数得

j

r D T

qa A V V C 2

2

03

3

)(121εε-=

(3-6)

由实验得出3/1T C ~V 关系曲线为—条直线。从直线的斜率可以求出杂质浓度梯度j a ,直线的截距可确定接触电势差D V

3.高频Q 表测试原理

QBG —3型高频Q 表电路简图如图3.2所示。当串联回路00C L 调到与电源频率0f 谐振时,电容0C 上的电压C V 达到一个比电动势V 大Q 倍的极大值,这时Q 表指示为极大值。如果对0C 并联接入一未知电容x C ,则回路将失谐,电压C V 减小,Q 表指示变小。但若调节0C ,使它减小,Q 表指示会重新达到极大值。当0C 改变0C ?时,有

x C C =?0 (3-7)

C X 即为待测晶体管集电结的势垒电容。也就是,p-n 结势垒电容是在两次谐振条件下Q 表电容刻度盘读数之差

图3.2 高频Q 表测试原理简图

四、测量样品及仪器

1.样品

x

C 0

C

高等半导体物理讲义

高等半导体物理 课程内容(前置课程:量子力学,固体物理) 第一章能带理论,半导体中的电子态 第二章半导体中的电输运 第三章半导体中的光学性质 第四章超晶格,量子阱 前言:半导体理论和器件发展史 1926 Bloch 定理 1931 Wilson 固体能带论(里程碑) 1948 Bardeen, Brattain and Shokley 发明晶体管,带来了现代电子技术的革命,同时也促进了半导体物理研究的蓬勃发展。从那以后的几十年间,无论在半导体物理研究方面,还是半导体器件应用方面都有了飞速的发展。 1954半导体有效质量理论的提出,这是半导体理论的一个重大发展,它定量地描述了半导体导带和价带边附近细致的能带结构,给出了研究浅能级、激子、磁能级等的理论方法,促进了当时的回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收、激子吸收等实验研究。 1958 集成电路问世 1959 赝势概念的提出,使得固体能带的计算大为简化。利用价电子态与原子核心态正交的性质,用一个赝势代替真实的原子势,得到了一个固体中价电子态满足的方程。用赝势方法得到了几乎所有半导体的比较精确的能带结构。 1962 半导体激光器发明 1968 硅MOS器件发明及大规模集成电路实现产业化大生产 1970 * 超晶格概念提出,Esaki (江歧), Tsu (朱兆祥)

* 超高真空表面能谱分析技术相继出现,开始了对半导体表面、界面物理的研究 1971 第一个超晶格Al x Ga 1-x As/GaAs 制备,标志着半导体材料的发展开始进入人 工设计的新时代。 1980 德国的Von Klitzing发现了整数量子Hall 效应——标准电阻 1982 崔崎等人在电子迁移率极高的Al x Ga 1-x As/GaAs异质结中发现了分数量子 Hall 效应 1984 Miller等人观察到量子阱中激子吸收峰能量随电场强度变化发生红移的量子限制斯塔克效应,以及由激子吸收系数或折射率变化引起的激子光学非线性效应,为设计新一代光双稳器件提供了重要的依据。 1990 英国的Canham首次在室温下观测到多孔硅的可见光光致发光,使人们看到了全硅光电子集成技术的新曙光。 近年来,各国科学家将选择生成超薄层外延技术和精细束加工技术密切结合起来,研制量子线与量子点及其光电器件,预期能发现一些新的物理现象和得到更好的器件性能。在器件长度小于电子平均自由程的所谓介观系统中,电子输运不再遵循通常的欧姆定律,电子运动完全由它的波动性质决定。人们发现电子输运的Aharonov-Bohm振荡,电子波的相干振荡以及量子点的库仑阻塞现象等。以上这些新材料、新物理现象的发现产生新的器件设计思想,促进新一代半导体器件的发展。 半导体材料分类: ?元素半导体, Si, Ge IV 族金刚石结构 Purity 10N9, Impurity concentration 10-12/cm3 ,

大学物理实验理论考试题目及答案3

多项选择题(答案仅供参考) 1.请选出下列说法中的正确者( CDE ) A :当被测量可以进行重复测量时,常用重复测量的方法来减少测量结果的系统误差。 B :对某一长度进行两次测量,其测量结果为10cm 和10.0cm ,则两次测量结果是一样 的。 C :已知测量某电阻结果为:,05.032.85Ω±=R 表明测量电阻的真值位于区间 [85.27~85.37]之外的可能性很小。 D :测量结果的三要素是测量量的最佳值(平均值),测量结果的不确定度和单位。 E :单次测量结果不确定度往往用仪器误差Δ仪来表示,而不计ΔA . 2.请选择出表达正确者( AD ) 3333 343/10)08.060.7(: /14.060.7:/1041.01060.7: /05.060.7:m kg D m kg C m kg B m kg A ?±=±=?±?=±=ρρρρ 3.请选择出正确的表达式: ( CD ) 3333 34/10)08.060.10( : (mm)1087.9)(87.9 :/104.0106.10 : )(10500)(5.10 :m kg D m C m kg B g kg A ?±=?=?±?==ρρ 4: 10.()551.010() A kg g =? 4.请选择出表达正确者( A ) 333 3/04.0603.7: /14.060.7:/041.060.7: /04.060.7:m kg D m kg C m kg B m kg A ±=±=±=±=ρρρρ 5.请选择出表达正确者 ( BC ) 0.3mm 10.4cm h :D /10)08.060.7(:0.3cm 10.4h :B /1041.01060.7 :33334±=?±=±=?±?=m kg C m kg A ρρ 6.测量误差可分为系统误差和偶然误差,属于系统误差的有: ( AD ) A:由于电表存在零点读数而产生的误差; B:由于测量对象的自身涨落所引起的误差; C:由于实验者在判断和估计读数上的变动性而产生的误差。 D:由于实验所依据的理论和公式的近似性引起的测量误差;

广工传感器实验报告

传感器技术及应用实验

实验一金属箔应变片及转换电路性能 实验项目名称:金属箔应变片及转换电路性能 实验项目性质:普通实验 所属课程名称:传感器原理与设计 实验计划学时:2学时 一、实验目的 1、了解应变片的测试原理和应用领域; 2、掌握应变片测试方法及典型转换电路原理; 3、通过实验数据分析处理,掌握获得传感器静态性能特性指标的过程和方法。 二、实验内容和要求 1、观察金属箔式应变片的结构,贴片方式以及桥接方式; 2、测量应变梁形变的应变输出; 3、比较应变片不同桥接方式对电桥输出结果的影响; 4、进行实验前,先预习附录一“CYS型传感器系统综合实验仪使用指南”,了解该设备 的基本结构与组成。 三、实验主要仪器设备和材料 1、CYS型传感器系统综合实验仪 本次实验所用模块包括:①悬臂梁及金属箔式应变片;②电桥模块;③差动放大器; ④直流稳压电源(±4V档);⑤测微头;⑥毫伏表。 2、导线若干 3、万用表 四、实验方法、步骤及结果测试 一)、实验原理 应变片是最常用的测力传感元件,当使用应变片进行测试时,首先要将应变片牢固地粘贴到测试体表面。当被测件受力发生形变,应变片敏感栅也同时变形,其阻值也随之发生相应变化。之后,再通过测量转换电路,将电阻值变化转换成电压输出信号显示。 直流电桥是最常用的一种电测转换电路。当电桥的相对臂电阻阻止乘积相等时,电桥平衡,此时电桥输出电压为零。若设电桥桥臂四个电阻的初始值分别为:R1=R2=R3=R4=R,当测试体表面发生形变,则其电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△ R2/R2、△R3/R3、△R4/R4。当使用一个应变片时,可组成半桥单臂电桥,则有U0=U 4△R R ; 当使用两个应变片差动联接,组成半桥双臂电桥,则有U0=U 2△R R ;而四个应变片组成 全桥形式,则输出电压为U0=U△R R 。由此可见,单臂电桥,双臂电桥,全臂电桥的灵敏度是依次增大的。 通过本次实验,可以验证说明箔式应变片组成半桥单臂,半桥双臂电桥和全桥的原理及工作性能。

半导体物理与器件 实验指导书

实验指导书 院系:机电工程学院 专业:微电子 课程:半导体物理与器件编者:孙玮

目录 实验一四探针法测量半导体电阻率和方块电阻 (1) 实验二半导体非平衡少子寿命测试 (10)

实验一 四探针法测量半导体电阻率 一、实验目的: 硅单晶的电阻率与半导体器件的性能有着十分密切的关系,半导体电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一。测量电阻率的方法很多,如三探针法、电容—电压法、扩展电阻法等。四探针法则是一种广泛采用的标准方法,在半导体工艺中最为常用,其主要优点在于设备简单,操作方便,精确度高,对样品的几何尺寸无严格要求。四探针法除了用来测量半导体材料的电阻率以外,在半导体器件生产中还广泛用来测量扩散层薄层电阻,以判断扩散层质量是否符合设计要求。因此,薄层电阻是工艺中最常需要检测的工艺参数之一。 本实验的目的是掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法,针对不同几何尺寸的样品,掌握其修正方法;了解影响电阻率测量的各种因素和改进措施。 二、实验内容: 1. 对所给的各种样品分别测量其电阻率; 2. 对同一样品,测量五个不同的点,由此求出单晶断面电阻率不均匀度; 三、实验原理与方法: 1.半导体材料电阻率的测量 将四根探针加在待测半导体材料样品表面,由外面两根探针接恒流源,电流为I ,由中间两根探针测电压,从而求出材料的电阻率,它在很大程度上消除了探针的接触势垒及注入效应对测量的影响。 设样品为半无穷大,若样品的电阻率ρ均匀,引入点电流源的探针其电流强度为I ,则所产生的电力线具有球面的对称性,即等位面为一系列以点电流为中心的半球面,如图1.1所示。在以r 为半径的半球面上,电流密度j 的分布是均匀的。 2 2r I j π= (1-1) 若E 为r 处的电场强度,则 图1.1

《半导体物理》实验指导书(2009年版)

半导体物理 实 验 指 导 书 信息工程学院电子科学与技术教研室 2009

目录 实验一:霍尔效应 (1) 实验二:四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻 (6) 实验三:椭偏法测薄膜厚度和折射率 (9) 附录A:《RTS-8型双电测四探针测试仪用户手册》 (11) 附录B:《WJZ/WJZ-Ⅱ型多功能激光椭圆偏振仪使用手册》 (30)

实验一 霍尔效应 一、实验目的 1. 了解霍尔器材对材料要求的知识; 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 ~曲线; 3. 学会确定试样的导电类型,载流子浓度以及电导率。 二、仪器设备 QS-H 型霍尔效应实验组合仪 三、实验原理 1. 导体材料霍尔系数的确定 由霍尔电压H V 与磁感应强度B 的关系,B I d R V S H H =知,只要测出H V 以及知道S I 、B 和d ,可计算出霍尔系数 B I d V R S H H = (1) 2. 导体材料导电类型的确定 若实验中能测出S I 、B 的方向,就可判断H V 的正负,决定霍尔系数的正负,从而判断出半导体的导电类型。当0

半导体物理知识点总结

半导体物理知识点总结 本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构,半导体中能带的形成,半导体中电子的状态和能带特点,在讲解半导体中电子的运动时,引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构,引入了空穴散射的概念。最后,介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。 在1.1节,半导体的几种常见晶体结构及结合性质。(重点掌握)在1.2节,为了深入理解能带的形成,介绍了电子的共有化运动。介绍半导体中电子的状态和能带特点,并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较,在此基础上引入本征激发的概念。(重点掌握)在1.3节,引入有效质量的概念。讨论半导体中电子的平均速度和加速度。(重点掌握)在1.4节,阐述本征半导体的导电机构,由此引入了空穴散射的概念,得到空穴的特点。(重点掌握)在1.5节,介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。(理解即可)在1.6节,介绍Si、Ge的能带结构。(掌握能带结构特征)在1.7节,介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构,主要了解GaAs的能带结构。(掌握能带结构特征)本章重难点: 重点: 1、半导体硅、锗的晶体结构(金刚石型结构)及其特点; 三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。 2、熟悉晶体中电子、孤立原子的电子、自由电子的运动有何不同:孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动,自由电子是在恒定为零的势场中运动,而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动(共有化运动),单电子近似认为,晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动,这个势场也是周期性变化的,而且它的周期与晶格周期相同。 3、晶体中电子的共有化运动导致分立的能级发生劈裂,是形成半导体能带的原因,半导体能带的特点: ①存在轨道杂化,失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带,上能带称为导带,下能带称为价带②低温下,价带填满电子,导带全空,高温下价带中的一部分电子跃迁到导带,使晶体呈现弱导电性。

(完整版)大学物理实验理论考试题及答案汇总

一、 选择题(每题4分,打“ * ”者为必做,再另选做4题,并标出选做记号“ * ”,多做不给分,共40分) 1* 某间接测量量的测量公式为4 3 23y x N -=,直接测量量x 和y 的标准误差为x ?和y ?,则间接测 量量N 的标准误差为?B N ?=; 4322 (2)3339N x x y x x x ??-==?=??, 3334(3)2248y N y y y y x ??==-?=-??- ()()[]21 23 2 289y x N y x ?+?=? 2* 。 用螺旋测微计测量长度时,测量值=末读数—初读数(零读数),初读数是为了消除 ( A ) (A )系统误差 (B )偶然误差 (C )过失误差 (D )其他误差 3* 在计算铜块的密度ρ和不确定度ρ?时,计算器上分别显示为“8.35256”和“ 0.06532” 则结果表示为:( C ) (A) ρ=(8.35256 ± 0.0653) (gcm – 3 ), (B) ρ=(8.352 ± 0.065) (gcm – 3 ), (C) ρ=(8.35 ± 0.07) (gcm – 3 ), (D) ρ=(8.35256 ± 0.06532) (gcm – 3 ) (E) ρ=(2 0.083510? ± 0.07) (gcm – 3 ), (F) ρ=(8.35 ± 0.06) (gcm – 3 ), 4* 以下哪一点不符合随机误差统计规律分布特点 ( C ) (A ) 单峰性 (B ) 对称性 (C ) 无界性有界性 (D ) 抵偿性 5* 某螺旋测微计的示值误差为mm 004.0±,选出下列测量结果中正确的答案:( B ) A . 用它进行多次测量,其偶然误差为mm 004.0; B . 用它作单次测量,可用mm 004.0±估算其误差; B =?==? C. 用它测量时的相对误差为mm 004.0±。 100%E X δ = ?相对误差:无单位;=x X δ-绝对误差:有单位。

高等半导体物理讲义

高等半导体物理 课程内容(前置课程: 量子力学,固体物理) 第一章能带理论,半导体中得电子态 第二章半导体中得电输运 第三章半导体中得光学性质 第四章超晶格,量子阱 前言:半导体理论与器件发展史 1926 Bloch 定理 1931 Wilson 固体能带论(里程碑) 1948 Bardeen, Brattain and Shokley 发明晶体管,带来了现代电子技术得革命,同时也促进了半导体物理研究得蓬勃发展。从那以后得几十年间,无论在半导体物理研究方面,还就是半导体器件应用方面都有了飞速得发展。 1954半导体有效质量理论得提出,这就是半导体理论得一个重大发展,它定量地描述了半导体导带与价带边附近细致得能带结构,给出了研究浅能级、激子、磁能级等得理论方法,促进了当时得回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收、激子吸收等实验研究。 1958 集成电路问世 1959 赝势概念得提出,使得固体能带得计算大为简化。利用价电子态与原子核心态正交得性质,用一个赝势代替真实得原子势,得到了一个固体中价电子态满足得方程。用赝势方法得到了几乎所有半导体得比较精确得能带结构。1962 半导体激光器发明 1968 硅MOS器件发明及大规模集成电路实现产业化大生产 1970 * 超晶格概念提出,Esaki (江歧), Tsu (朱兆祥) * 超高真空表面能谱分析技术相继出现,开始了对半导体表面、界面物理得研究 1971 第一个超晶格Al x Ga1x As/GaAs 制备,标志着半导体材料得发展开始进入人工设计得新时代。 1980 德国得V on Klitzing发现了整数量子Hall 效应——标准电阻 1982 崔崎等人在电子迁移率极高得Al x Ga1x As/GaAs异质结中发现了分数量子Hall 效应 1984 Miller等人观察到量子阱中激子吸收峰能量随电场强度变化发生红移得量子限制斯塔克效应,以及由激子吸收系数或折射率变化引起得激子光学非线性效应,为设计新一代光双稳器件提供了重要得依据。 1990 英国得Canham首次在室温下观测到多孔硅得可见光光致发光,使人们瞧到了全硅光电子集成技术得新曙光。近年来,各国科学家将选择生成超薄层外延技术与精细束加工技术密切结合起来,研制量子线与量子点及其光电器件,预期能发现一些新得物理现象与得到更好得器件性能。在器件长度小于电子平均自由程得所谓介观系统中,电子输运不再遵循通常得欧姆定律,电子运动完全由它得波动性质决定。人们发现电子输运得AharonovBohm振荡,电子波得相干振荡以及量子点得库仑阻塞现象等。以上这些新材料、新物理现象得发现产生新得器件设计思想,促进新一代半导体器件得发展。 半导体材料分类: ?元素半导体, Si, Ge IV 族金刚石结构 Purity 10N9, Impurity concentration 1012/cm3 , Dislocation densities <103 /cm3 Size 20 inches (50 cm) in diameter P V 族 S, Te, Se VI 族 ?二元化合物, 1.IIIV族化合物: GaAS系列,闪锌矿结构, 电荷转移 GaAs, 1、47 eV InAs 0、36 eV GaP, 2、23 eV GaSb, 0、68 eV GaN, 3、3 eV BN 4、6 eV AlN 3、8 eV

江苏大学物理实验考试题库和答案完整版

大学物理实验A(II)考试复习题 1.有一个角游标尺,主尺的分度值是°,主尺上29个分度与游标上30个分度等弧长,则这个角游标尺的最小分度值是多少? 30和29格差1格,所以相当于把这1格分成30份。这1格为°=30′,分成30份,每份1′。 2.电表量程为:0~75mA 的电流表,0~15V 的电压表,它们皆为级,面板刻度均为150小格,每格代表多少?测量时记录有效数字位数应到小数点后第几位(分别以mA 、V 为记录单位)?为什么? 电流表一格小数点后一位 因为误差, 电压表一格小数点后两位,因为误差,估读一位 ***3.用示波器来测量一正弦信号的电压和频率,当“Y轴衰减旋钮”放在“2V/div”档,“时基扫描旋钮”放在“div”档时,测得波形在垂直方向“峰-峰”值之间的间隔为格,横向一个周期的间隔为格,试求该正弦信号的有效电压和频率的值。 f=1/T=1÷×= U 有效=÷根号2= ***4.一只电流表的量程为10mA ,准确度等级为级;另一只电流表量程为15mA ,准确度等级为级。现要测量9mA 左右的电流,请分析选用哪只电流表较好。 量程为10mA ,准确度等级为级的电流表最大误差,量程为15mA ,准确度等级为级,最大误差,所以选用量程为15mA ,准确度等级为级 5. 测定不规则固体密度 时,,其中为0℃时水的密度,为被测物在空气中的称量质量,为被测物完全浸没于水中的称量质量,若被测物完全浸没于水中时表面附 有气泡,试分析实验结果 将偏大还是偏小?写出分析过程。 若被测物浸没在水中时附有气泡,则物体排开水的体积变大,物体所受到的浮力变大,则在水中称重结果将偏小,即m 比标准值稍小,可知0ρρm M M -=将偏小 6.放大法是一种基本的实验测量方法。试写出常用的四种放大法,并任意选择其中的两种方法,结合你所做过的大学物理实验,各举一例加以说明。 累计放大法 劈尖干涉测金属丝直径的实验中,为了测出相邻干涉条纹的间距 l ,不是仅对某一条纹测量,而是测量若干个条纹的总间距 Lnl ,这样可减少实验的误差。 机械放大法 螺旋测微器,迈克尔孙干涉仪读数系统

广工-车辆-某次大物作业

13-7,一个动量为p 的电子,沿题13-7图示方向入射并能穿过一宽度为D ,磁感应强度为B 的均匀磁场区域,则该电子出射方向与入射方向的夹角α为(C) (A) p e B D 1c o s - (B) ep BD 1sin - (C) p eBD 1sin - (D)ep BD 1cos - ? 解:电子进入磁场后做匀速圆周运动,所偏离角度?即为其轨迹所对应圆周角,易知:R=Be p ; 所以p eBD =?sin ,所以答案是C 。 13-9,单闸半圆形线圈半径为R ,通电流I 。在均匀磁场B 的作用下从图示位置转过30°时,它所受磁力矩的大小和方向分别是(D ) (A)IB R 241 π,沿图面竖直向下 (B)IB R 2 41 π,沿图画竖直向上 (C) IB R 243π,沿图面竖直向下 (D)IB R 243π,沿图面竖直向上 I B 解:转过30°后,磁矩的方向与B 夹角为60°,所以,B ×m M =,所以IB R M 24 3π= ,由右手螺旋定理知,方向沿图面竖直向上。

13-16,一截面形状为矩形,面积为S 的直金属条中通有电流I ,金属条放在磁感应强度为B 的均匀磁场中,B 的方向垂直金属条的左右侧面,如图所示。则金属条的上侧面将积累电荷,载流子所受的洛伦兹力m F = nS IB 。(设单位体积的载流子数为n ) 解:此题中,pvB F m =,nqvS I =,所以,结合两式可得:nS IB F m =。 13-29,如图所示,一带电量为q 的粒子,以速度v 平行于一均匀带电长直导线运动。设导线单位长度带电量为λ,并载有传导电流I 。粒子应以多大速度运动,才能使其保持在一条与导线距离为a 的平行直线上? λ v I q 解:分析题意可知,导体周围有电场和磁场,且二者相等时符合题意。 qE F e =方向沿径向向外 q v B F B = 方向沿径向向内 且有: a E 02πελ= a I B πμ20= 所以由二者相等可得,I v 00μελ=

半导体物理实验指导1

试验一 单晶硅少子寿命测试 一.试验目的 1.了解半导体非平衡少子寿命的概念和重要性。 2.掌握高频光电导衰减法测量寿命的基本原理。 3.学会“DSY-Ⅱ硅单晶寿命仪”的使用。 二.实验原理 1.非平衡载流子的注入 我们知道,处于热平衡状态的半导体,在一定的温度下,载流子浓度使一定的。这种处于平衡状态下的载流子浓度,称为平衡载流子浓度。 对非简并半导体来说,有2 0exp()g o o c v i E n p N N n k T =- = 如果对半导体施加外界作用(光注入或者电注入),破坏热平衡条件,则半导体处于非平衡状态,其载流子浓度不再是o n 、o p ,而是存在过剩载流子n ?、p ?,称为非平衡载流子。 当外界作用消失后,注入的非平衡载流子不能一直存在下去,最后,载流子浓度恢复导平衡时的值,半导体又回到平衡态,这个过程即是非平衡载流子的复合。但非平衡载流子不是立刻全部消失,而有一个过程,即它们在导带和价带中有一定的生存时间,有的长,有的短。非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命,用τ表示。由于相对于非平衡多数载流子,非平衡少数载流子的更重要,因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。 假定一束光在n 型半导体内部均匀地产生非平衡载流子n ?、p ?,且n p ?=?。在t =0时,突然光照停止,p ?将随时间变化。单位时间内非平衡载流子浓度的减少应为()d p t dt ?,它 是由复合引起的,因此应当等于非平衡载流子的复合率。 即 ()() d p t p t dt τ ??=- 。 小住入时,τ为恒量,与()p t ?无关, ()t p t Ce τ -∴?=。 设t =0时,0(0)()p p ?=?,则0()C p =?, 0()()t p t p e τ -∴?=?。 这就是非平衡载流子浓度随渐渐按指数衰减的规律。利用上式可求出非平衡载流子平均生存时间t 就是τ。 ()/()/t t t td p t d p t te dt de dt τ τ τ- - ∞∞ ∞∞= ??= =? ?? ? 所以寿命标志着非平衡载流子浓度减少导原值1/e 所经历的时间。寿命不同,非平衡载流子衰减的快慢不同,寿命越短,衰减越快。 2.高频光电导衰减法

半导体物理与器件实验报告

课程实习报告 HUNAN UNIVERSITY 题目:半导体物理与器件 学生姓名:周强强 学生学号:20100820225 专业班级:通信二班 完成日期:2012.12.22

运行结果截图: 2.2 函数(),cos(2/)V x t x t πλω=-也是经典波动方程的解。令03x λ≤≤,请在同一坐标中 绘出x 的函数(),V x t 在不同情况下的图形。 (1)0;(2)0.25;(3)0.5;(4)0.75;(5)t t t t t ωωπωπωπωπ =====。 3.27根据式(3.79),绘制出0.2()0.2F E E eV -≤-≤范围内,不同温度条件下的费米-狄拉克概率函数:()200,()300,()400a T K b T K c T K ===。

4.3 画出a ()硅,b ()锗,c ()砷化镓在温度范围200600K T K ≤≤内的本征载流子浓度曲线 (采用对数坐标)。

4.46 已知锗的掺杂浓度为15 3a =310 cm N -?,d =0N 。画出费米能级相对于本征费米能级的位 置随温度变化 200600)K T K ≤≤(的曲线。

5.20硅中有效状态密度为 19 3/2c 2.8 10()300T N =? 193/2 1..0410() 300 T N ν=? 设迁移率为 3/2 n =1350300T μ-?? ? ?? 3/2 =480300T ρμ-?? ? ?? 设禁带宽带为g =1.12V E e ,且不随温度变化。画出200600K T K ≤≤范围内,本征电导率随绝对温度T 变化的关系曲线。

2016- 2017一大学物理实验考试卷(B卷)

.. 浙江农林大学 2016- 2017学年第一学期考试卷(B 卷) 课程名称:大学物理实验 课程类别: 必修 考试方式: 闭卷 注意事项:1、本试卷满分100分。 2、考试时间 30分钟。 题号 一 二 三 总分 得分 评阅人 一、单项选择题(1-7题必做,8-13题任选做2题。每题只有一个正确答案,将 选择的答案填入以下表格中,填在题目上的将不给分,每题3分,共计27分) 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 答案 1-7题必做: 1、利用示波器通过一系列的传感手段,可得到被检者的心电图。医生通过心电图,可以了解到被检者心跳的情况,例如,测量相邻两波峰的时间间隔,便可计算出1min 内心脏跳动的次数(即心率)。同一台示波器正常工作时测得待检者甲、乙的心电图分别如图 甲、 乙所示,相邻两波峰在示波器上所占格数已经标出。若医生测量时记下被检者甲的心率为60 次/min ,则可知乙的心率和这台示波器X 时间增益(衰减)选择开关置于( ) A 、48 次/min, 50ms/div B 、75 次/min, 0.2s/div C 、75 次/min, 0.1s/div D 、48 次/min, 20ms/div 2、在牛顿环实验中,我们看到的干涉条纹是由哪两条光线产生的?( ) A 、 3和4 B 、 1和2 C 、 2和3 D 、 1和4 得分 学院: 专业班级: 姓名: 学号: 装 订 线 内 不 要 答 题 1 2 3 4 5 5 5 甲

3、已知300x f Hz =,李萨如图形为 “ ”,则y f 为( ) A 、 400Hz B 、 450Hz C 、 200Hz D 、 100Hz 4、在空气比热容比测定实验中,我们用到的两种传感器是:( ) A 、压强传感器和体积传感器 B 、压强传感器和温度传感器 C 、温度传感器和体积传感器 D 、压强传感器和时间传感器 5、密立根油滴实验中,基本电荷e 的计算,应对实验测得的各油滴电荷q 求( ) A 、算术平均值 B 、 最小公倍数 C 、最小整数 D 、最大公约数 6、用量程为20mA 的1.0级毫安表测量电流。毫安表的标尺共分100个小格,指针指示为60.5格。电流测量结果应表示为 ( ) A 、(60.5±0.2)mA B 、(20.0±0.1)mA C 、(12.1±0.2) mA D 、(12.10±0.01)mA 7、传感器的种类多种多样,其性能也各不相同,空调机在室内温度达到设定的稳定后,会自动停止工作,其中空调机内使用了下列哪种传感器( ) A .温度传感器 B .红外传感器 C .生物传感器 D .压力传感器 8-13题任选做2题: 8、在0~100℃范围内,Pt100输出电阻和温度之间关系近似呈如下线性关系: )1(0AT R R T +=,式中A 为温度系数,约为3.85×10-3℃-1。则当Pt100输出电阻 为115.4Ω时对应温度为( ) A 、0 ℃ B 、40 ℃ C、50 ℃ D、100 ℃ 9、分光计实验中为能清晰观察到“十”字光斑的像,需调节( ) A 、前后移动叉丝套筒 B 、目镜调节手柄 C 、望远镜水平度调节螺钉 D 、双面反射镜的位置 10、在多普勒效应实验装置中,光电门的作用是测量小车通过光电门的( ) A 、时间 B 、速度 C 、频率 D 、同时测量上述三者 11、如图三,充氩的夫兰克-赫兹管A I ~K G U 2曲线中, 氩原子的第一激发电位0U 为( ) A 、 45U U - B 、 1U C 、 13U U - D 、36U U -

北大半导体物理讲义整理

第一章晶体结构晶格 §1晶格相关的基本概念 1.晶体:原子周期排列,有周期性的物质。 2.晶体结构:原子排列的具体形式。 3.晶格:典型单元重复排列构成晶格。 4.晶胞:重复性的周期单元。 5.晶体学晶胞:反映晶格对称性质的最小单元。 6.晶格常数:晶体学晶胞各个边的实际长度。 7.简单晶格&复式晶格:原胞中包含一个原子的为简单晶格,两个或者两个以上的称为复 式晶格。 8.布拉伐格子:体现晶体周期性的格子称为布拉伐格子。(布拉伐格子的每个格点对应一 个原胞,简单晶格的晶格本身和布拉伐格子完全相同;复式晶格每种等价原子都构成和布拉伐格子相同的格子。) 9.基失:以原胞共顶点三个边做成三个矢量,α1,α2,α3,并以其中一个格点为原点, 则布拉伐格子的格点可以表示为αL=L1α1 +L2α2 +L3α3 。把α1,α2,α3 称为基矢。 10.平移对称性:整个晶体按9中定义的矢量αL 平移,晶格与自身重合,这种特性称为平 移对称性。(在晶体中,一般的物理量都具有平移对称性) 11.晶向&晶向指数:参考教材。(要理解) 12.晶面&晶面指数:参考教材。(要理解) 立方晶系中,若晶向指数和晶面指数相同则互相垂直。 §2金刚石结构,类金刚石结构(闪锌矿结构) 金刚石结构:金刚石结构是一种由相同原子构成的复式晶格,它是由两个面心立方晶格沿立方对称晶胞的体对角线错开1/4长度套构而成。常见的半导体中Ge,Si,α-Sn(灰锡)都属于这种晶格。 金刚石结构的特点:每个原子都有四个最邻近原子,它们总是处在一个正四面体的顶点上。(每个原子所具有的最邻近原子的数目称为配位数) 每两个邻近原子都沿一个<1,1,1,>方向, 处于四面体顶点的两个原子连线沿一个<1,1,0>方向, 四面体不共顶点两个棱中点连线沿一个<1,0,0,>方向。

半导体物理与器件复习资料

非平衡载流子寿命公式: 本征载流子浓度公式: 本征半导体:晶体中不含有杂质原子的材料 半导体功函数:指真空电子能级E 0与半导体的费米能级E f 之差 电子>(<)空穴为n(p)型半导体,掺入的是施主(受主)杂质原子。 Pn 结击穿的的两种机制:齐纳效应和雪崩效应 载流子的迁移率 扩散系数 爱因斯坦关系式 两种扩散机制:晶格扩散,电离杂质扩散 迁移率受掺杂浓度和温度的影响 金属导电是由于自由电子;半导体则是因为自由电子和空穴;绝缘体没有自由移动的带电粒子,其不导电。 空间电荷区:冶金结两侧由于n 区内施主电离和p 区内受主电离而形成的带净正电与负电的区域。 存储时间:当pn 结二极管由正偏变为反偏是,空间电荷区边缘的过剩少子浓度由稳定值变为零所用的时间。 费米能级:是指绝对零度时,电子填充最高能级的能量位置。 准费米能级:在非平衡状度下,由于导带和介质在总体上处于非平衡,不能用统一的费米能级来描述电子和空穴按能级分布的问题,但由于导带中的电子和价带中的空穴按能量在各自能带中处于准平衡分布,可以有各自的费米能级成为准费米能级。 肖特基接触:指金属与半导体接触时,在界面处的能带弯曲,形成肖特基势垒,该势垒导放大的界面电阻值。 非本征半导体:将掺入了定量的特定杂质原子,从而将热平衡状态电子和空穴浓度不同于本征载流子浓度的材料定义为非本征半导体。 简并半导体:电子或空穴的浓度大于有效状态密度,费米能级位于导带中(n 型)或价带中(p 型)的半导体。 直接带隙半导体:导带边和价带边处于k 空间相同点的半导体。 电子有效质量:并不代表真正的质量,而是代表能带中电子受外力时,外力与加速度的一个比例常熟。 雪崩击穿:由空间电荷区内电子或空穴与原子电子碰撞而产生电子--空穴对时,创建较大反偏pn 结电流的过程 1、什么是单边突变结?为什么pn 结低掺杂一侧的空间电荷区较宽? ①冶金结一侧的掺杂浓度大于另一侧的掺杂浓度的pn 结;②由于pn 结空间电荷区p 区的受主离子所带负电荷与N 区的施主离子所带正电荷的量是相等的,而这两种带点离子不能自由移动的,所以空间电荷区内的低掺杂一侧,其带点离子的浓度相对较低,为了与高掺杂一侧的带电离子的数量进行匹配,只有增加低掺杂一侧的宽度 。 2、为什么随着掺杂弄得的增大,击穿电压反而下降? 随着掺杂浓度的增大,杂质原子之间彼此靠的很近而发生相互影响,分离能级就会扩展成微带,会使原奶的导带往下移,造成禁带宽度变宽,不如外加电压时,能带的倾斜处隧长度Δx 变得更短,当Δx 短到一定程度,当加微小电压时,就会使p 区价带中电子通过隧道效应通过禁带而到达N 区导带,是的反响电流急剧增大而发生隧道击穿,所以。。。。。。 3、对于重掺杂半导体和一般掺杂半导体,为何前者的迁移率随温度的变化趋势不同?试加以定性分析。 对于重掺杂半导体,在低温时,杂质散射起主导作用,而晶格振动散射与一般掺杂半导体相比较影响并不大,所以这时随着温度的升高,重掺杂半导体的迁移率反而增加;温度继续增加下,晶格振动散射起主导作用,导致迁移率下降。 对于一般掺杂半导体,由于杂质浓度低,电离杂子散射基本可以忽略,其主要作用的是晶格振动散射,所以温度越高,迁移率越小。 4、漂移运动和扩散运动有什么不同?对于非简并半导体而言,迁移率和扩散系数之间满足什么关系? 漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动,而扩散运动是由于浓度分布不均,导致载流子从浓度高的地方向浓度低的地方定向运动。前者的推动力是外电场,后者的推动力是载流子的分布引起的。 关系为:T k D 0 //εμ= 5、什么叫统计分布函数?并说明麦克斯韦-玻尔兹曼、玻色-爱因斯坦、费米狄拉克分布函数的区别? 描述大量粒子的分部规律的函数。 ①麦克--滋曼分布函数:经典离子,粒子可区分,而且每个能态多容纳的粒子数没有限制。 ②波色--斯坦分部函数:光子,粒子不可区分,每个能态所能容纳的粒子数没有限制。 ③费米狄拉克分布函数:晶体中的电子,粒子不可分辨,而且每个量子态,只允许一个粒子。 6、画出肖特基二极管和pn 结二极管的正偏特性曲线;并说明它们之间的差别。 两个重要的区别:反向饱和电流密度的数量级,开关特性; 两种器件的电流输运机构不同:pn 结中的电流是由少数载流子的扩散运动决定的,而肖特基势垒二极管中的电流是由多数载流子通过热电子发射越过内建电势差而形成的。 肖特基二极管的有效开启电压低于pn 结二极管的有效开启电压。 7、(a )5个电子处于3个宽度都为a=12A °的三维无限深势阱中,假设质量为自由电子质量,求T=0k 时费米能级(b )对于13个电子呢? 解:对于三维无限深势阱 对于5个电子状态,对应nxnynz=221=122包含一个电子和空穴的状态 ev E F 349.2)122(261.022=++?= 对于13个电子……=323=233 ev E F 5.742)323(261.0222=++?= 8、T=300k 时,硅的实验测定值为p 0=2×104cm -3,Na=7*1015cm -3, (a)因为P 0

半导体物理实验——变温霍尔效应测试

变温霍尔效应测量半导体电学特性 霍尔效应的测量是研究半导体性质的重要实验方法。利用霍尔系数和电导率的联合测量,可以用来确定半导体的导电类型和载流子浓度。通过测量霍尔系数与电导率随温度的变化,可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的温度系数等基本参数。本实验通过对霍尔样品在弱场条件下进行变温霍尔系数和电导率的测量,来确定半导体材料的各种性质。 【实验目的】 1.了解半导体中霍尔效应的产生机制。 2.通过实验数据测量和处理,判别半导体的导电类型,计算室温下样品的霍 尔系数、电导率、迁移率和载流子浓度。 3.掌握变温条件下霍尔系数和电阻率的测量方法,了解两者随温度的变化规 律。 【实验仪器】 本实验采用CVM200变温霍尔效应测试系统来完成,本仪器系统由可换向永磁体、CME12H变温恒温器、TC202控温仪、CVM-200霍尔效应仪等组成。 本系统自带有两块样品,样一是美国Lakeshore公司HGT-2100高灵敏度霍尔片,厚度为0.18mm,最大工作电流≤10 mA,室温下的灵敏度为55-140 mV/kG; 样二为锑化铟,厚度为1.11mm,最大电流为60mA,其在低温下是典型的P型半导体,而在室温下又是典型的N型半导体,相应的测试磁场并不高,但霍尔电压高,降低了对系统仪表灵敏度、磁铁磁场的要求。 【实验原理】 1.霍尔效应和霍尔系数 Z Y X 图1 霍尔效应示意图

霍尔效应是一种电流磁效应(如图1)。当半导体样品通以电流Is ,并加一垂直于电流的磁场B ,则在样品两侧产生一横向电势差U H ,这种现象称为“霍尔 效应”,U H 称为霍尔电压, d B I R H S H U = (1) 则: IsB d U H H R = (2) R H 叫做霍尔系数,d 为样品厚度。 对于P 型半导体样品, qp H R 1= (3) 式中q 为空穴电荷电量,p 为半导体载流子空穴浓度。 对于n 型半导体样品, qn H R 1-= (4) 式中为n 电子电荷电量。 考虑到载流子速度的统计分布以及载流子在运动中受到散射等因素的影响。在霍尔系数的表达式中还应引入霍尔因子A ,则(3)(4)修正为 p 型半导体样品:qp A H R = (5) n 型半导体样品,qn A H R -= (6) A 的大小与散射机理及能带结构有关。在弱磁场(一般为200 mT )条件下,对球形等能面的非简并半导体,在较高温度(晶格散射起主要作用)情况下,A=1.18,在较低的温度(电离杂质散射起主要作用)情况下,A=1.93,对于高载流子浓度的简并半导体以及强磁场条件A=1。 对于电子、空穴混合导电的情况,在计算R H 时应同时考虑两种载流子在磁场偏转下偏转的效果。对于球形等能面的半导体材料,可以证明: 2 2)()(nb p q nb p A R H +-= (7) 式中 p b μμn = ,μp 、μn 分别为电子和空穴的迁移率,A 为霍尔因子,A 的大小与散射机理及能带结构有关。

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