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第1篇：固体物理电子教案.

固体物理

第一章晶体的结构

1．1晶体的共性与密堆积

1.1.1晶体的共性：

长程有序，平移操作，周期性自限性晶面角守衡定律

各向异性：结构各向异性、性质各向异性

1.1.2密堆积：

晶体是由实心的基石堆砌而成的设想虽然肤浅，但形象的直观的描述了晶体内部的规则排列这一特点，即为密堆积。

一个粒子的周围最近邻的粒子数，可以被用来描写晶体小粒子排列的紧密程度，这个数称为配位数．粒子排列愈紧密，配位数应该愈大．现在来考虑晶体中最大的配位数和可能的配位数。

二维原子球的正方堆积

六角密积及立方密积

在六角和立方两种密积电每个球在同一层内和6个球相邻，又和上下层的3个球相切，所以每个球最近邻的球数是12即配位数是12，这就是晶体结构中最大的配位数．

如果球的大小不等，例如晶体由两种原子组成，则不可能组成密积结构，因而配位数必须小于12，但由于周期性和对称性的特点，晶体也不可能具有配位数11、10和9，所以次一配位数是8，为氯化铅型结构．晶体的配位数不可能是7，再次一个配位数是6，相应于氯化钠型结构．晶体的配位数也不可能是5，下一个配位数是4，为四面体．配位数是3的为层状结，构配位数是2的为链状结构．

配位数是4，为四面体．配位数是3的为层状结，构配位数是2的为链状结构．

作为例子，现在来看由于球的半径不等组成氯化银型或氮化钠型结构时．两种球半径的比．

一氯化铯型

设大球的半径是R,则立方体的边长为a＝2R，空间对角线为小球恰与大球相切，则小球的直径应等于

-2R，即小球的半径为

．若

这时排列最紧密，结构最稳定．

如果小球的半径r小于0.73R，则不能和大球相切，结构不稳定，以致不能存在，于是结构将取配位数较低的排列，即取配位数是6的排列．所以，当1＞(r／R)≥0.73时，两种球的排列为氯化铯型

二氯化钠型

当，结构为氯化钠型

1．2布喇菲空间点阵原胞晶胞

1.2.1布喇菲空间点阵

晶体内部结构可以看成是由一些相同的点子在空间作规则的周期性无限分布，这些点子的总体称为布喇菲点阵。

二维晶体结构，基元及其点阵：

沿三个不同方向通过点阵中的结点作平行的直线族，把结点包括无遗，点阵便构成一个三维网格．这种三维格子称为晶格，又称为布喇菲格子，结点又称格点．

1.2.2 原胞

以一结点为顶点，以三个不同方向的周期为边长的平行六面体可作为晶格的一个重复单元．体积最小的重复单元，称为原胞或固体物理学原胞.它能反映晶格的周期性．原胞的选取不是惟一的，但它们的体积都相等．

下图示出了原胞与基矢．

原胞与基矢

原胞选取的任意性

1.2.3 晶胞

为了同时反映晶体对称的特征，结晶学上所取的重复单元，体积不一定最小，结点不仅在顶角上，还可以是体心或面心．这种重复单元称作晶胞、惯用晶胞或布喇菲原胞．

我们称重复单元的边长矢量为基矢．若以a1、a2和a3表示原胞的基矢。简立方

原胞基矢与晶胞基矢的关系：

简立方晶胞

体心立方原胞基矢

体积：

面心立方

原胞基矢

体积：

立方晶系中几种实际晶体结构：氯化铯：

氯化钠：

金刚石：

钙钛矿：

1．3晶列晶面指数

1.3.1 晶列指数

通过任意两格点作一直线，这一直线称为晶列．晶列最突出的特点是晶列上的格点具有一定的周期．如果一平行直线族把格点包括无遗，且每一直线上都有格点，则称这些直线为同一族晶列．这些直线上的格点的周期都相同．因此，一族晶列的特征有二：一是取向；二是晶列格点的周期．在一个平面内，相邻晶列之间的距离必定相等．

如图中，设矢量

其中a b c 为晶胞基矢，基矢中的系数为互质的整数，即

则这一束直线的方向就可以l, m, n 表示记[l m n ].1.3.2 晶面指数

原子所在的平面称为晶面，晶面方位用米勒指数标记。设某一原子面在基矢a、b、c方向的截距为ra、sb、tc，将系数r、s、t的倒数简约成互质的整数h、k、l，并用圆括号包括成(h k l)，就是这一晶面的米勒指数。下图标记出立方晶体中几个最为常见而重要的晶面族的米勒指数。

对于六角晶体，由于其六角面上的特殊对称性，通常采用四个晶胞基矢a1、a2、a3与c，如下图所示。

立方晶格的等效晶面

1.4 倒格空间

用正格基矢来构造倒格基矢

将正格基矢在空间平移可构成正格子，相应地我们把倒格基矢平移形成的格子叫倒格子．由a1、a2、a3构成的平行六面体称为正格原胞，相应地我们称由bl、b2、b3构成的平行六面体为倒格原胞．

下边介绍倒格子与正格子的一些重要关系．（1）正格原胞体积与倒格原胞体积之积等于

（2）正格子与倒格子互为对方的倒格子

晶胞坐标系中

倒格点P的选取与倒格子基矢 1．5晶体的对称性及晶格结构的分类

晶体具有自限性，外形上的晶面呈现出对称分布．晶体外形这对称性，是晶体内在结构规律性的体现．

人们定义：一个晶体在某变换后，晶格在空间的分布保持不变，这一变换称为对称操作．

在研究晶体结构时，人们视晶体为刚体，在对称操作变换中，晶体两点间的距离保持不变．在数学上称这种变换为正交变换．在研究晶体的对称性中有以下三种正交变换． 1.5.1 晶体许可的旋转对称轴

周期性要求彼此有相同的格点间距离，换言之，应有

其中m为整数。由图可知

即

在上式中将m分别代以一1、0、1、2、3可得α分别为

如绕轴旋转角度及其整数倍为对称操作则称其为n度旋转轴。上面的讨论表明晶体周期性只允许2度、3度、4度和6度这四种族转对称轴存在．可分别用数字2、3、4及6或符号、▲、■及

代表．而不允许有5度或其他的旋转对称轴。立方体有6个2度轴、4个3度轴与3个4度轴，均通过立方体的中心，如下图所示。

1.5.2 中心反演：变换矩阵为：

这一操作称为中心反演，用符号ί表示。1.5.3 晶体的旋转反演轴

ί与n的结合也可以是晶体的对称操作，称为n度旋转反演对称。由于周期性制约，同样也只能有2度、3度、4度或6度旋转反演轴，分别用数字记号、、，而

也就是i。操作的示意图如下。

一个晶体所有的宏观对称操作必满足如下的共同性质。一是必具有不变操作；二是如果具有两个对称操作A与B，则这两个操作相继连续操作的组合操作仍为一对称操作；三是如果A为对称操作，其逆操作也是对称操作。

.5.4 滑移面和螺旋轴

1.5.5 七大晶系十四种布喇菲晶胞

考虑到晶格的对称性，结晶学上选取的重复单元一晶胞不一定是最小的重复单元，晶胞的基矢方向，便是晶体的晶轴方向。晶轴上的周期就是基矢的模，称为晶格常数．按晶胞基失的特征，晶体可分为七大晶系．按晶胞上格点的分布特点，晶格结构分成14种布喇菲格子

四种布喇菲格子：

(1)简单三斜；(2)简单单斜；(3)底心单斜，(4)简单正交；(5)底心正交；(6)体心正交；(7)面心正交；(8)六角；(9)菱面三角；(10)简单四方；(11)体心四方；(12)简单立方；(13)体心立方；(14)面心立方．三角六角．有时也称三方六方．

1.6 晶体的X光衍射

1.6.1 布拉格反射

原胞基矢坐标系中的布拉格反射公式，角或衍射角．但实验中常采用晶胞坐标系中的表达式

Θ称为掠射

1.6.2晶体X光衍射的实验方法：劳厄法：旋转单晶法：粉末法：

1．7原子散射因子几何结构因子

定义：原子内所有电子在某一方向上引起的散射波的振幅的几何和，与某一电子在该方向引起的散射波的振幅之比称为该原子的散射因子．

原子的散射因子：

总的衍射强度取决于两个因素：(1)各衍射极大的相位差；②各衍射极大的强度．各衍射极大的相位差取决于各晶格的相对距离，而各衍射极大的强度取决于不同原了的散射因子．一句话，复式晶格总的衍射强度取决于不同原子的相对距离和不同原子的散射因子．

几何结构因子的定义是：原胞内所有原子在某一方向上引起的散射波的总振幅与某一电子在该方向上所引起的散射波的振幅之比

几何结构因子

（hkl）晶面族引起的衍射光的总强度：

下面举几个简单的例子来说明其应用

体心立方；

可选坐标为（0 0 0）和（1/2 1/2 1/2）得到

n(h+k+l)为奇数是衍射消光面心立方：

可选坐标：得到

衍射面指数部分为偶数时，衍射消光。

金刚石型结构的晶胞可选坐标

可知如衍射强度数且面指数和之半也是偶数。

氯化钠型结构的晶胞如氯离子位于

衍射面指数要末全是奇数；要末全为偶

则钠离子位于

可知当衍射面指数不全为奇数或不全为偶数时衍射波干涉相消．观察不到衍射斑。当衍射面指数全为偶数时衍射强度最大。而当衍射面指数全为奇数时衍射强度与

比例。由于氯离子与钠离子具有不同的散射本领，使衍射面指数全为奇数的衍射束具有虽不为零但较低的强度。

第二章晶体的结合 2．1 原子的电负性

2.1.1 原子的电子分布

原干的电子组态，通常用宇

s、p、d、…来表征角量子数l＝o、1、2、…，字母的左边的数字是轨道主量子数，右上标表示该轨道的电子数目．如氧的电子组态为

．

核外电子分布遵从泡利不相容原理、能量最低原理和洪待规则．

2.1.2 电离能

使原子失去一个电子所需要的能量称为原子的电离能．表2.1列出了两个周期原子的第一电离能的实验值．

2.1.3 电子亲和能

一个中性原子获得一个电子成为负离子所释放小的能量叫电子亲和能．亲和过程不能看成是电离过程的逆过程．

2.1.4 电负性

2.1.5 内聚能

在r＝r0处．晶体内能具有最小值Uc，其值为负。这就是说，与分离成各个孤立原子的情况相比，各个原子聚合起来形成晶体后，系统的能量将下降|Uc|，常把Uc的绝对值称之为晶体的内聚能。

2.1.6 体积弹性模量

根据热力学，晶体体积弹性模量的定义为

采用内能表示式，可化为

2．2 晶体的结合类型

2.2.1 共价结合电负性较大的原子合成晶体时，各出一个电子，形成电子共享的形式，形成电自旋相反的配对电子．电子配对的方式称为共价键．这类晶体称共价晶体。共价晶体的硬度高(比如金刚石是最硬的固体)，熔点高，热膨胀系数小，导电性差．

共价键的共同特点是饱和性和方向性。金刚石结构：

二离子结合

电负性小的元素与电负性大元素结合在一起，一个失去电子变成正离子，一个得到电子变成负离子，形成离子晶体．最典型的离子晶体是碱金属正素与卤族元素结合成的晶体，如NaCl，CsCl等．

离子晶体是一种结构很稳固的晶体．离子晶体的硬度高，熔点高，热膨胀小，导电性差．

典型离子晶体结构有两种：（1）是NaCl型面心立方结构

（2）是CsCl型简立方结构，配位数为8

三金属结合金属晶体中，价电子不再属于个别原子，而是为所有原子所共有，在晶体中作共有化运动．所以金属的性质主要由价电子决定．金属具有良好的导电性、导热性，不同金属存在接触电势差等，都是共有化电子的性质决定的．

原子实与电子云之间的作用，不存在明确的方向性，原子实与原子实相对滑动并不破坏密堆积结构，不会使系统内能增加．金属原子容易相对滑动的特点，是金属具有延展性的微观根源．

四分子结合固体表面有吸附现象，气体能凝结成液体，液体能凝结成固体，都说明分子间有结合力作在．分子间的结合力称为范德瓦耳斯力，范德瓦耳斯力一般可分为三种类型：

(1)极性分广间的结合(2)极性分子与非极性分子的结合(3)非极性分子间的结合五氢键结合由于氢原子的特殊情况，有些氢的化台物晶体中呈现独特的结构，即氢原子可以同时和两个负电性很大而原子半径较小的原子(O、F、N等)相结合．这种特殊结合称为氢链．

2．3 结合力及结合能

2.3.1 结合力共性

当两原子相距很远时，相互作用力为零；当两原子逐渐靠近，原子间出现吸引力；当r＝rm时吸引力达到最大；当距离再缩小，排斥力起主导作用；当r＝ro时，排斥力与吸引力相等，互作用力为零；当r＜ro时，排斥力迅速增大，相互作用主要由排斥作用决定．

当r＞rm时两原子间的吸引作用随距离的增大而逐渐减小，所以可认为rm是两原子分子开始解体的临界距离．

原子间的相互作用

2.3.2 结合能

单位压强引起的体积的相对变化，即积弹性模量等于压缩系数的倒数，可推得：

而体

2．4 分子力结合范德瓦耳斯力涉及三方面作用机理。即弥散力、取向力及感应力。下面依次作简单介绍。

范德瓦耳斯力的作用机理

2.4.1 极性分子结合极性分子的相互作用

极性分子的相互作用对于全同的极性分子，有

在温度很高时，由于热运动，极性分子的平均相互吸引势与r6 成反比，与温度T成反比．

2.4.2 极性分子与非极性分子的结合极性分子与非极性分子的相互作用

其间吸引势：

极性分子与非极性分子间的吸引势与r6成反比．三非极性分子的结合相邻氦原子的瞬时偶极矩

两惰性气体分子间的互作用势能为：，化成称为雷纳德-琼斯势，其势能曲线为

如果晶体内合有N个原子，总的势能就是

可化成其中

2．5离子结合2.5.1 离子对的形成离子对的形成对于Na+Cl-，如果取r0＝0.25nm，可以计算得|U吸引(r0)|＝5.7eV，U排斥(r0)＝0.2eV。因此，Na+Cl-离子对的解离能U解离＝(5.7-0.1-1.4)ev＝4.06ev。所以Na+Cl-离子对的形成是稳定的，大量的离子对能够形成离子晶体。

2.5.2 离子晶体的几何结构

正、负离子形成离子晶体时应遵循下面的原则；

一、要求每个离子的最近邻是异号离子。

二、在满足最近邻是异号离子的前提下，要求配位数愈大愈好。离子晶体结构有下面三种：氯化铯结构、氯化钠结构及闪锌矿结构(见N．3)。氯化铯结构的配位数为8。氯化钠结构的配位数为6。闪锌矿结构的配位数为4。但是离子究竞聚合成哪一种结构主要决定于正、负离子半径r+和r-的相对大小。

2.5.3 离子的互作用势

对于典型的Nacl型离子晶体，两离子的互作用势可表示为

令

得，μ为马德隆常数

马德隆常数，发现此级数收敛很慢．为此，埃夫琴提出了计算马德隆常数的方法，此方法可使级数迅速收敛．该方法的基本思想是．把晶体看成是由埃夫琴晶胞来构成，埃夫琴晶胞内所有离子的电荷代数和为零，把这些中性晶胞对参考离子的库仑能量的贡献份额加起来就得马德隆常数．

NaCl的埃夫琴晶胞

2.5.4 结合能体积弹性模量

离子晶体在平衡时的结合能

体积弹性模量

2.6 共价结合海特勒和伦敦从理论上论证了，只有当电子的自旋相反时两个氢原子才结合成稳定的分子，这是晶体共价结合的理论基础。

2.6.1 氢分子中的共价键

2.6.2 共价键的饱和性和方向性

2.6.3 共价键的结构

共价键的饱和性及方向性．造就了原子形成的共价晶体具特定的结构。共价键的饱和性，决定了共价晶体的配位数，它只能等于原子的共价键数，或者说等于原子的价电子数N(当N＜4)或8一N(当N≥4)。而具体的晶体结构又决定于共价键的方向性。

2.6.4 极性键及非极性键

当同种元素原子间形成共价键时，由于两个原子的电负性相同，它们对电子的吸引力相同，因此形成共价键后的配对电子密度主要出现在两原子的中间，电子在各个原子处的出现概率都是对称的。因此两个原子间不会有偶极短产生，常称之为非极性键。当两种不同元素的原子间形成共价键时，由于两种原子的电负性不同，它们对电子具有不同的吸引力，因此形成共价键后的配对电子密度常偏向于电负性比较大的原子一万，或者说配对电子倾向子在电负性比较大的原

子附近有比较大的出现概率。可见这种共价锭常伴随有电偶极矩的存在，故常称之为极性键。两个原子也因此分别成为部分带电的正负离子，所以这种极性键实际上是共价结合(共价键)与离子结合(离子键)的混合体。而离子锭是极性最强的极性键。由极性键结合起来的晶体称为极性晶体。

2.6.5 共价晶体的内聚能

对离子晶体及分子晶体所使用的计算晶体内聚能的半经典公式不再适合于共价晶体。对于共价晶体必须采用量子力学的方法进行计算。下表列出了采用能带理论方法计算得到的典型共价晶体的内聚能、晶格常数及体积弹性模量，表中也列出了它们的实验值。

2.7 金属结合2.7.1 金属结合在金属晶体中，所有原子都把各自的价电子全部贡献出来。归所有原子所共有，成为共有化电子。这些价电子可以在整个晶体中自由运动，成为“自由电子气”。去掉价电子后的正离子就浸沉在这些自由电子的电子云之中。通过带负电的电子云与正离子间酌库仑引力把各个正离子结合在一起成为金属晶体。

2.7.2 金属的晶体结构

因为金属结合主要依靠带负电的电子云与带正电荷的正离子间的库仑引力，而这种引力是没有方向性的。所以对晶体结构没有什

么限制，只要求这些正离子排列得越密越好。排列得越紧，电子云与正离子之间的库仑吸引能的值就越大。故金属晶体常形成排列员紧密的面心立方结构及六角密积结构，配位数均为12。某些金属形成配位数稍低酌体心立方结构(配位数为8)。

2.7.3 金属的内聚能

与共价晶体一样，金属晶体的内聚能必须用量子力学方法进行计算。采用能带理论已能计算得到与实验值很好符合的内聚能及其他物理参数。下表列出了某些典型金属的内聚能、晶格常数及体积弹性模量。

第2篇：大学物理实验电子教案

大学物理实验教案实验题目

霍耳效应法测量磁场

实验性质

基本实验

实验学时

教师

冷雪松

教学目的

1、熟悉和掌握霍尔磁场测试仪器和霍尔效应装置的使用方法

2、了解霍尔效应产生的原理

3、学习和掌握了用霍尔效应的方法测量磁场

4、学习霍尔效应研究半导体材料的性能的方法以及消除副效应影响的方法

重点

消除副效应对测量结果的影响

难点

霍尔效应的产生机理

怎样消除影响测量准确性的附加效应

教学过程的设计

课前的准备：

仪器设备的检查，注意要校准砝码。

实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。作出数据表格设计的参考。课上教学的设计：

一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等）。

(5 分钟)

二、讲解的设计

(30分钟)

1、引言

德国物理学家霍尔（E.H.Hall）1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现，任何导体通以电流时，若存在垂直于电流方向的磁场，则导体内部产生与电流和磁场方向都垂直的电场，这一现象称为霍尔效应，它是一种磁电效应(磁能转换为电能)。二十世纪五十年代以来，由于半导体工艺的发展，先后制成了多种有显著霍尔效应的材料，这一效应的应用研究也随之发展起来。现在，霍尔效应已在测量技术、自动化技术、计算机和信息技术等领域得到了广泛的应用。在测量技术中，典型的应用是测量磁场。

测量磁场方法不少，但其中以霍尔效应为机理的测磁方法因结构简单、体积小、测量速度快等优点而有着广泛的应用，本实验就是采用这种方法。通过本实验了解霍尔效应的物理原理，掌握用磁电传感器——霍尔元件测量磁场的基本方法，学习用异号法消除不等位电压产生的系统误差。

2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计原则实验原理

霍尔效应实质上是运动电荷在磁场中受到洛仑磁力的作用后发生偏转而产生的，当霍尔电场力与洛仑磁力平衡时，霍尔片中载流子不在迁移，这样就在霍尔片的上下两个平面间形成了恒定的电位差——霍尔电位差UH，实验测定

系数RH=1/ne称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，载流子浓度n越小,则RH越大，UH也越大，所以只有当半导体(n比金属的小得多)出现以后，霍尔效应的应用才得以发展。对于特定的霍尔元件，其厚度d确定，定义霍尔灵敏度KH=RH /d，KH与霍尔片的材料性质、几何尺寸有关，对于一定的霍尔片，其为常数。这样

上式是霍尔效应测磁场的基本理论依据，只要已知KH，用仪器测出I及UH，则可求出磁感应强度B。

3、实验的拓展：(由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学

生利用现有的设备拓展出新的实验内容,培养学生的创新思维和创新能力。)1）、测量霍尔元件的不等位电势差 2）、测量霍尔片的特性曲线

4.数据的测量与处理要求用做图法处理数据.5．介绍主要仪器设备与使用 6．强调实验中要注意的问题 1）、霍尔片又薄又脆，切勿用手摸。2）、霍尔片允许通过电流很小，切勿与励磁电流接错！3）、电磁铁通电时间不要过长，以防电磁铁线圈过热影响测量结果。

三、学生的实验开始

(100分钟)

四、指导实验

实验前30分钟不解答问题,给学生自己理解消化的时间,30分钟后边指导边提出一些问题启发学生解答.重点辅导:

五、检查实验的结果,签字

六、实验小结（实验结束前的10分钟）

1、验中有哪些影响测量准确度的因素？

2、用作图法处理实验数据时，是如何利用多次测量来减小测量不确定度的？

3、拓展题目完成的意义。

时间的掌握：留由5分钟机动的时间。讲作图法

课后思考题

1．分析本实验主要误差来源，计算磁场B的合成不确定度。2．以简图示意，用霍尔效应法判断霍尔片上磁场方向。3．如何测量交变磁场，写出主要步骤。

参考文献

1.《大学物理实验》，李学慧、高峰等编，高等教育出版社，出版时间 2005年6月 2.《大学物理实验》，高峰等编，东北大学出版社，出版时间 1994年3月

板书内容

霍耳效应法测量磁场的题目，在黑板的中央。第一板实验的目的1、熟悉和掌握霍尔磁场测试仪器和霍尔效应装置的使用方法

2、了解霍尔效应产生的原理

3、学习和掌握了用霍尔效应的方法测量磁场

4、学习霍尔效应研究半导体材料的性能的方法以及消除副效应影响的方法重点与难点

霍尔效应的产生机理

2、消除影响测量准确性的附加效应

实验原理（将原理部分与原理图分成两块）1.原理部分（左侧）

上式是霍尔效应测磁场的基本理论依据，只要已知KH，用仪器测出I及UH，则可求出磁感应强度B。实验的原理图

2.实验的过程设计（1）拟好实验步骤。

（2）根据仪器设备的使用方法，确定各物理量的测量方法。3实验的拓展 1）、测量霍尔元件的不等位电势差 2）、测量霍尔片的特性曲线 4表格：略

5、实验报告的要求： 1.数据处理的要求。

2.误差分析与问题的讨论

6、黑板右边的空白备用

1.括号内的解释用语言叙述。

2.寻找几名优秀的学生在课外开放时间内完成拓展实验的题目

《物理实验》教案

（霍耳效应法测量磁场）

冷雪松

辽宁科技大学——理学院实验中心

第3篇：大学物理实验电子教案

大学物理实验教案实验题目

霍耳效应法测量磁场

实验性质

基本实验

实验学时

教师

冷雪松

教学目的1、熟悉和掌握霍尔磁场测试仪器和霍尔效应装置的使用方法

2、了解霍尔效应产生的原理

3、学习和掌握了用霍尔效应的方法测量磁场

4、学习霍尔效应研究半导体材料的性能的方法以及消除副效应影响的方法

重

点

消除副效应对测量结果的影响

难

点

霍尔效应的产生机理

怎样消除影响测量准确性的附加效应

教学过程/ 5 的设计

课前的准备：

仪器设备的检查，注意要校准砝码。

实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。作出数据表格设计的参考。课上教学的设计：

一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等）。

(5 分钟)

二、讲解的设计

(30分钟)1、引言

2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计原则实验原理

上式是霍尔效应测磁场的基本理论依据，只要已知KH，用仪器测出I及UH，则可求出磁感应强度B。

3、实验的拓展：(由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学

生利用现有的设备拓展出新的实验内容,培养学生的创新思维和创新能力。)1）、测量霍尔元件的不等位电势差 2）、测量霍尔片的特性曲线

4.数据的测量与处理

要求用做图法处理数据.5．介绍主要仪器设备与使用 6．强调实验中要注意的问题 1）、霍尔片又薄又脆，切勿用手摸。/ 5 2）、霍尔片允许通过电流很小，切勿与励磁电流接错！3）、电磁铁通电时间不要过长，以防电磁铁线圈过热影响测量结果。三、学生的实验开始

(100分钟)四、指导实验

实验前30分钟不解答问题,给学生自己理解消化的时间,30分钟后边指导边提出一些问题启发学生解答.重点辅导: 五、检查实验的结果,签字

六、实验小结

（实验结束前的10分钟）1、验中有哪些影响测量准确度的因素？

2、用作图法处理实验数据时，是如何利用多次测量来减小测量不确定度的？ 3、拓展题目完成的意义。

时间的掌握：留由5分钟机动的时间。讲作图法

课后思考题

参考文献

1.《大学物理实验》，李学慧、高峰等编，高等教育出版社，出版时间 2005年6月 2.《大学物理实验》，高峰等

编，东北大学出版社，出版时间 1994年3月

板书内容

霍耳效应法测量磁场的题目，在黑板的中央。第一板实验的目的/ 5 1、熟悉和掌握霍尔磁场测试仪器和霍尔效应装置的使用方法

2、了解霍尔效应产生的原理

3、学习和掌握了用霍尔效应的方法测量磁场

4、学习霍尔效应研究半导体材料的性能的方法以及消除副效应影响的方法重点与难点

霍尔效应的产生机理

2、消除影响测量准确性的附加效应

实验原理（将原理部分与原理图分成两块）1.原理部分（左侧）

上式是霍尔效应测磁场的基本理论依据，只要已知KH，用仪器测出I及UH，则可求出磁感应强度B。实验的原理图

2.实验的过程设计（1）拟好实验步骤。

（2）根据仪器设备的使用方法，确定各物理量的测量方法。3实验的拓展 1）、测量霍尔元件的不等位电势差 2）、测量霍尔片的特性曲线 4表格：略

5、实验报告的要求： 1.数据处理的要求。

2.误差分析与问题的讨论 6、黑板右边的空白备用

1.括号内的解释用语言叙述。

2.寻找几名优秀的学生在课外开放时间内完成拓展实验的题目

《物理实验》教案

（霍耳效应法测量磁场）/ 5

冷雪松

辽宁科技大学——理学院实验中心/ 5

第4篇：56半导体物理基础电子教案

第5,6学时

 授课题目（教学章节或主题）：半导体物理基础。本授课单元教学目标或要求：

掌握半导体特性、载流子的运动、PN结以及三种光电效应；了解能带理论、PN结的三种接触方式。

 本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）： * 基本内容：

引入：

光电器件：半导体制作而成。理论基础很重要，有助于深入理解其原理及灵活运用。关于半导体的物理基础，许多专门著作都有系统的论述。这里仅介绍与光电器件有关的半导体物理基础知识。

自然界中的物质：气体、液体或固体。这里主要是讨论可以制作光电器件的固体半导体材料。

固体：

按其原子排列，可以分成晶体与非晶体两类；

按导电能力，则可分成导体、绝缘体和半导体三种。

-6-3导体：l0一10Ω·cm范围内的物质称为(如银、铜、铝、铁等金属)；

12绝缘体：电阻率在10Ω·cm以上的物质称为(如塑料、陶瓷、橡皮、石英玻璃等)；半导体：电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。

它们三者之间虽然在电阻率的区分上无绝对明确的界限，但在性质上却有极大的差别。由于半导体具有许多特殊的性质，因而在电子工业与光电工业等方面占有极其重要的地位。

（一）半导体的特性

1、电阻温度系数一般都是负的，对温度的变化十分敏感；

衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1°C时电阻值发生变化的百分数。如果设任一电阻元件在温度t1时的电阻值为R1，当温度升高到t2时电阻值为R2，则该电阻在t1 ~ t2温度范围内的(平均)温度系数为a，如果R2 > R1，则 a > 0，将R称为正温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而增大；如果R2

大多数半导体都具有负的温度系数，温度低时，半导体中的载流子（电子和空穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。

也有一些不是用半导体制成的特殊的光电器件具有负温度系数。如，NTC热敏电阻器。

NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。

所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。

这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因此，也具有负温度系数。

NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10Ω~1000000Ω，温度系数-2%~-6.5%。

NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。

2、导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化；

-6-1-1如纯硅在室温下的电导率为5×10Ω·cm，当掺入硅原子数的百万分之一的杂质时；其纯度虽仍高达99．9999％，但电导率却上升至2Ω·cm，几乎增加了一百万倍！此外，随着所掺入的杂质的种类不同，可以得到相反导电类型的半导体。如在硅中掺入硼，可得到P型半导体；掺入锑可得到N型半导体。

3、导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界总有的影响而发生非常重要的变化。

例如沉积在绝缘基板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一旦受到光照，电阻就会下降到几十千欧，甚至更小。

常见的半导体材料有硅、锗、硒等元素半导体，砷化镓(GaAs)、铝砷化镓(Ga1-xAlxAs)、锑化姻(InSb)、硫化镉(CdS)和硫化铅(PbS)等化合物半导体，还有如氧化亚铜的氧化物半导体，如砷化镓—磷化镓固熔体半导体，以及有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体等等。利用半导体的特殊性质，制成了热敏器件、光电器件、场效应器件、体效应器件、霍耳器件、红外接收器件、电荷稠合器件、摄象管及各种二极管、三极管、集成电路等半导体器件。下面将重点介绍有关光电器件。

为了解释固体材料的不同导电特性，人们从电子能级的概念出发引入了能带理论。它是半导体物理的理论基础，应用能带理论可以解释发生在半导体中的各种物理现象和各种半导体器件的工作原理。

1二、能带理论

1、原子中电子的能级

大家知道，原子是由一个带正电的原子核与一些带负电的电子所组成。这些电子环绕着原子核在各自的轨道上不停地运动着。根据量子论，电子运动有下面三个重要特点：

(1)电子绕核运动，具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态称为量子态。每一量子态所取的确定能量称为能级。图2-7是硅原子中电子绕核运动的轨道及与其相应的能级示意图。原子中14个电子分别有14种不同的量子态，分布在离原子核远近不同的三层轨道上。最里层的量子态，电子距原子核最近，受原子核束缚最强，能量最低。越外层的量子态，电子受原子核束缚越弱，能量越高。电子可以吸收能量从低能级跃迁到高能级上去。电子也可以在一定条件下放出能量重新落回到低能级上来。但不可能有介于各能级之间的量子态存在。

量子态是由一组量子数表征，这组量子数的数目等于粒子的自由度数。

(2)由于微观粒子具有粒子与波动的两重性，因此，严格说原子中的电子没有完全确定的轨道。但为方便起见，我们仍用“轨道”这个词，这里的“轨道”所代表的是电子出现几率最大的一部分区域。

(3)在一个原子或原子组成的系统中，不能有两个电子同属于一个量子态，即在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子，这就是泡利不相容原理。此外，电子首先填满最低能级，而后依次向上填，直到所有电子填完为止。

2、晶体中电子的能带

晶体：原子、离子或分子按照一定的周期性在空间排列形成在结晶过程中形成具有一定规则的几何外形的固体。

晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来的一样。其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。而玻璃、珍珠、沥青、塑料等非晶体，内部原子的排列则是杂乱无章的。准晶体是最近发现的一类新物质，其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。

晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。具有整齐规则的几何外形、固定熔点和各向异性的固态物质，是物质存在的一种基本形式。固态物质是否为晶体，一般可由X射线衍射法予以鉴定。

晶体内部结构中的质点(原子、离子、分子)有规则地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的几何多面体。组成某种几何多面体的平面称为晶面，由于生长的条件不同，晶体在外形上可能有些歪斜，但同种晶体晶面间夹角(晶面角)是一定的，称为晶面角不变原理。

吃的盐是氯化钠的结晶，味精是谷氨酸钠的结晶，冬天窗户玻璃上的冰花和天上飘下的雪花，是水的结晶。可以这样说：“熠熠闪光的不一定是晶体，朴实无华、不能闪光的未必就不是晶体”。厨房中常见的砂糖、碱是晶体，每个人身上的牙齿、骨骼是晶体，工业中的矿物岩石是晶体，日常见到的各种金属及合金制品也属晶体，就连地上的泥土砂石都是晶体。我们身边的固体物质中，除了常被我们误以为是晶体的玻璃、松香、琥珀、珍珠等之外，几乎都是非晶体。晶体离我们并不遥远，它就在日常生活中。

晶体的一些性质取决于将分子联结成固体的结合力。这些力通常涉及原子或分子的最外层的电子（或称价电子）的相互作用。如果结合力强，晶体有较高的熔点。如果它们稍弱一些，晶体将有较低的熔点，也可能较易弯曲和变形。如果它们很弱，晶体只能在很低温度下形成，此时分子可利用的能量不多。

当原子结合成晶体时，因为原子之间的距离很近，不同原子之间的电子轨道(量子态)将发生不同程度的交迭。晶体中两个相邻原子的最外层电子的轨道重迭最多。这些轨道的交迭，使电子可以从一个原子转移到另一个原子上去。结果，原来隶属于某一原子的电子，不再是此原子私有的了，而是可以在整个晶体中运动，成为整个晶体所共有，这种现象称作电子的共有化。晶体中原子内层和外层电子的轨道交迭程度很不相同。越外层电子的交迭程度越大，且原子核对它的束缚越小。因此，只有最外层电子的共有化特征才是显著的。

晶体中电子虽然可以从一个原子转移到另一个原子，但它只能在能量相同的量子态之间发生转移。所以，共有化的量子态与原子的能级之间存在着直接的对应关系。由于电子的这种共有化，整个晶体成了统一的整体。因此，如图2-8，N个原子排列起来结合成晶体，原来分属于N个单个原子的相同能级必须对应分裂的N个能量稍有差别的能级。这些能级互相靠得很近，分布在一定的能量区域。

我们将这能量区域中密集的能级形象地称为能带。由于能带中能级之间的能量差很小，所以通常可以把能带内的能级看成是连续的。在一般的原子中，内层电子的能级都是被电子填满的。当原子组成晶体后，与这些内层的能级相对应的能带也是被电子所填满的。在理想的绝对零度下，硅、锗、金刚石等共价键结合的晶体中，从其最内层的电子直到最外边的价电子都正好填满相应的能带。能量最高的是价电子填满的能带，称为价带。价带以上的能带基本上是空的，其中最低的带常称为导带。价带与导带之间的区域称为禁带。图2-9所示为绝缘体、半导体、导体的能带情况。一般，绝缘体的禁带比较宽，价带被电子填满，而导带一般是空的。半导体的能带与绝缘体相似，在理想的绝对零度下，也有被电子填满的价带和全空的导带，但其禁带比较窄。正因为如此，在一定的条件下，价带的电子容易被激发到导带中去。半导体的许多重要特性就是由此引起的。而导体的能带情况有两种：一是它的价带没有被电子填满，即最高能量的电子只能填充价带的下半部分，而上半部分空着；二是它的价带与导带相重迭。

上面关于能带形成的通俗论证是十分粗糙而不严格的。能带和原子能级之间的对应关系，并不象图2-8那样单纯，也并不永远都是一个原子能级对应于一个能带。并且，能带图并不实际存在，而只是用来着重说明电子的能量分布情况。关于这方面的较严格的论证，可参考有关资料。

3．半导体的导电机构

当在一块半导体的两端加上电压后，则价电子在无规则的热运动基础上迭加了由电场引起的定向运动，形成了电流，并且它的运动状态也发生了变化，因而其运动能量必然与原来热运动时有所不同。在晶体中，根据泡利不相容原理，每个能级上最多能容纳两个电子。因此，要改变晶体中电子的运动状态，以便改变电子的运动能量，使它跃迁到新的能级中去，一般需要满足两个条件：一是具有能向电子提供能量的外界作用；二是电子要跃入的那个能级是空的。

由于导带中存在大量的空能级，当有电场作用时，导带电子能够得到能量而跃迁到空的能级中去，即导带电子能够改变运动状态。这也就是说，在电场的作用下，导带电子能够产生定向运动而形成电流。所以导带电子是可以导电的。

如果价带中填满了电子而没有空能级，在外加电场的作用下，电子又没有足够能量激发到导带，那么，电子运动状态也无法改变，因而不能形成定向运动，也就没有电流。因此，填满电子的价带中的电子是不能导电的。如果价带中的一些电子在外界作用下跃迁到导带，那么在价带中就留下了缺乏电子的空位。可以设想，在外加电场作用下，邻近能级的电子可以跃入这些空位，而在这些电子原来的能级上又出现了新的空位。以后，其它电子又可以再跃入这些新的空位，这就好象空位在价带中移动一样，只不过其移动方向与电子相反罢了。因此，对于有电子空位的价带，其电子运动状态就不再是不可改变的了。在外加电场的作用下，有些电子在原来热运动上迭加了定向运动，从而形成了电流。

导带和价带电子的导电情况是有区别的，即：导带的电子愈多，其导电能力愈强；而价带的电子的空位愈多，即电子愈少，其导电能力就愈强。为了处理方便，我们把价带的电子空位想象为带正电的粒子。显然，它所带的电量与电子相等，符号相反。在电场作用下，它可以自由地在晶体中运动，象导带中的电子一样能够起导电作用，这种价带中的电子空位，我们通常称之为空穴。由于电子和空穴都能导电，一般把它们统称为载流子。

4、本征半导体导电特性

完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。它的能带图如图2—10所示。其中图(a)是假设在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界作用的本征半导体能带图。此时，导带没有电子，价带也没有空穴。因此，这时的本征半导体和绝缘体一样，不能导电。但是，由于半导体的禁带宽度Eg较小，因而在热运动或其它外界因素的作用下，价带的电子可激发跃迁到导带，如图2-10(b)所示。这时，导带有了电子，价带也有了空穴，本征半导体就有能力导电了。电子由价带直接激发跃迁到导带称为本征激发。对于本征半导体来说，其载流子只能依靠本征激发产生。因此，导带的电子和价带的空穴是相等的。这就是本征半导体的导电机构的特性。本征激发（热激发）：共价键中的价电子因受热作用而成为自由电子的过程。

本征激发使半导体内不断产生电子和空穴，同时它们又不断地进行着复合。产生和复合这对矛盾的对立统一，使半导体在一定温度下达到载流子数目的动态平衡。从而维持了一定数量的自由电子和空穴这种状态称为热平衡。

必须指出，常温下本征半导体中的电子、空穴是很少的，因而本征半导体的导电能力是很差的，所以它不能直接用来制造晶体管。

5、杂质半导体

在本征半导体中掺入一定数量的杂质就会使半导体的导电性能发生显著的变化，使它具有制造晶体管时所需要的特性，并且因掺入杂质元素的不同，可形成电子型半导体(N型半导体)和空穴型半导体(P型半导体)两大类（均成电中性）。

①P型半导体

如果在纯净的硅(或锗)中掺入少量的三价元素硼(或铝等)，就能得P型半导体，当硼(B)原子占据硅原子的位置并和四个相邻的硅原子共价结合时，由于硼只有三个价电子，要从附近硅原子中拿一个价电子来填补，这祥就在这个硅原子中产生了一个空穴，掺入的每一个硼原子都产生一个空穴，所以掺杂的半导体中空穴的数目就大大增加．

由于这些杂质原子必须接受一个电子才能与相邻的四个原子组成共价键，所以三价元素的硼叫做受主杂质，接受一个电子的杂质原子叫做受主离子。这种半导体主要是靠空穴导电的，所以也叫空穴型半导体。

②N型半导体

在纯净的硅(或锗)中掺入少量的五价元素杂质后，如磷(P)、砷(As)等，就能得到N型半导体。如在硅中掺入少量的磷(P)，则磷原子跑到硅里面去，它要占据原来硅原子的位置。磷原子拿出五个价电子中的四个与相邻硅原子组成共价键还多余一个价电子没有参加共价键，该价电子只受到磷原子核的吸引，在常温下很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。

如图所示。可见，掺入多少个磷原子就能产生多少个自由电子，杂质浓度越大，半导体中自由电子数就越多。(三)PN结与载流子的运动

1、PN结

PN结就是P型半导体和N型半导体交界的地方，这个交界处虽然很薄，但有许多特殊的电性能，它是晶体管、场效应管、晶闸管等半导体器件的核心部分。因此，它是整个半导体器件最重要的概念之一。

在一块半导体晶体的不同部位掺入不同的杂质，使得这块晶体的一部分呈P型半导体，另一部分呈N型半导体，则在P型和N型的交界处就形成了PN结。

2、载流子的运动（扩散和漂移）

当P型半导体和N型半导体结合在一起时，在它们交界的地方就要发生电子和空穴的扩散运动。因P区有大量的空穴(电子很少)，N区有大量的电子(空穴很少)这样，在P型和N型半导体的交界处就出现了浓度差，电子和空穴都要向浓度小的地方运动。形成空间电荷区，即如下图所示的内建电场：内建电场阻碍空穴和电子的继续扩散，对空穴来说，电场力要把空穴推到P区，对电子来说，电场力要把电子拉到N区，电场力对载流子的这种作用叫做漂移作用．

由此可见，漂移作用和扩散作用二者是一对矛盾，有扩散运动就会产生内建电场，引起漂移运动，而漂移运动又削弱了扩散运动。当二者的作用相等时，就达到了动态平衡，这时空间电荷区的宽度和空间电荷数目就不再增加，内建电场也不再增强，PN结处于动态平衡状态，形成PN结。

由于空间电荷区存在着电场，所以在空间电荷区的两边就有电位差，这个电位差叫做接触电位差，通常也称为内建电势。一般硅PN结的接触电位差为0.5-0.8V，锗PN结的接触电位差为0.1-0.3V．

3、PN结的单向导电特性

如果在PN结上加一电压，当P区接正而N区接负时就有一定的电流通过，并且随外加电压的升高电流迅速增大；当P区接负而N区接正时，电流就很微小并且电流数值与外加电压关系不大。这就是PN结的单向导电特性。

P区接正N区接负，叫正向运用，这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压；P区接负N区接正，叫反向运用，这时的外加电压称反向电压或反向偏置电压。

①PN结加正向电压

由于阻挡层的电阻远大于P区和N区的体电阻，所以整个外加电压基本上全部加在阻挡层上．此时，外加电压产生的电场与内建电场方向相反，从而使PN结中总的电场减弱，这样PN结的平衡状态被破坏，P区中的空穴就不断地穿过空间电荷区向N区移动，而N区的电子也不断地穿过空间电荷区向P区移动。

虽然电子和空穴的运动方向相反，但它们所形成的电流却是相加的，即正向电流等于电子电流与空穴电流之和，从而形成比较大的正向电流，如图所示。

当P区空穴向N区移动，N区电子向P区移动时，它们首先就要和PN结中原来的一部分正负离子中和，结果使PN结变窄，其接触电位差比原来平衡时的数值减少了。当正向电压升高时，PN结中的电场就减弱得更多，P区移向N区的空穴就愈多，N区移向P区的电子也增多，因此正向电流随正向电压的增加而迅速上升。PN结表现为一个很小的电阻。

②PN结加反向电压

N区接电源的正极，P区接电源的负极，这是PN结反向运用的情况。此时，外加电压产生的电场方向与内建电场的方向一致，PN结中总的电场加强了。在外加电场的作用下，阻挡层左边P区的空穴和阻挡层右边N区的电子都将进一步离开PN结，于是阻挡层(空间电荷区)加宽了，阻挡层两端的电位差也增加了．因此，P区和N区的多数载流子穿过阻挡层的扩散运动受阻，由多数载流子形成的电流等于零。

实际上，PN结在反向工作时还有一定的微小电流，这是由P区少数载流子(电子)和N区少数载流子(空穴)在电场力的作用下形成的．称为PN结的反向电流，它的大小与外加电压基本无关，但它随温度而变化．由于反向电流一般很小(因P区的电子和N区的空穴很少)，PN结表现为一个很大的电阻，所以仍认为PN结外加反向电压时基本上不导电．

综上所述，PN结加正向电压时，PN结电阻很小，电流畅通；PN结加反向电压时，PN结电阻很大，反向电流很小，接近于零，PN结不导通。所以，PN结具有单向导电特性．

必须指出，由于热运动产生的少数载流于所形成的反向电流，当温度升高时，因热激发增强而会使反向电流急剧增加，这是造成PN结工作不稳定的原因，在实际应用中必须注意这个问题．

当加到PN结上的反向电压超过一定数值时，反向电流就有明显的增加，甚至突然猛增，这种现象叫PN结的击穿。PN结击穿后，其单向导电特性遭到了破坏，同时可能因反向电流过大而使PN结烧坏。

击穿并不一定是坏事。在电子线路中常用的硅稳压管就利用了击穿现象。因为它击穿以后，通过PN结的电流可以有相当大的变化而其两端电压却变化很小，所以起到了稳压作用。另外，PN结击穿了并不等于就坏了，只要在线路中接一个保护电阻，使反向电流不超过PN结所容许的最大电流，则反向电压减小后PN结是可以恢复的。

(四)半导体异质结

由于半导体外延技术的发展，从60年代开始，可以将禁带宽度不同的两种半导体材料，生长在同一块晶体上，且可以按人们的意志做成突变的或缓变的结，这种由两种不同质的半导体材料接触而组成的结称为半导体异质结

按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。

所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序沉积在同一基座上。例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。

(1)量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。

(2)迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。

(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。科学家利用低维度的特性，已经已作出各式各样的组件，其中就包含有光纤通讯中的高速光电组件，而量子与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。

异质结

(4)人造材料工程学：半导体异质结构之中间层或是两旁的夹层，可因需要不同而改变。例如以砷化镓来说，镓可以被铝或铟取代，而砷可以用磷、锑、或氮取代，所设计出来的材料特性因而变化多端，因此有人造材料工程学的名词出现。最近科学家将锰原子取代镓，而发现具有铁磁性的现象，引起很大的重视，因为日后的半导体组件，有可能因此而利用电子自旋的特性。此外，在半导体异质结构中，如果邻近两层的原子间距不相同，原子的排列会被迫与下层相同，那么原子间就会有应力存在，该应力会改变电子的能带结构与行为。现在该应力的大小已可由长晶技术控制，因此科学家又多了一个可调变半导体材料的因素，产生更多新颖的组件，例如硅锗异质结构高速晶体管。

五、半导体对光的吸收

物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。那些被物体所吸收的光，将改变物体的一些性能。

1、本征吸收

半导体材料吸收光的原因，在于光与处在各种状态的电子、晶格原子和杂质原子的相互作用。其中最主要的光吸收是由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的，这种吸收就称为本征吸收。

2、杂质吸收

处于杂质能级中的电子与空穴，也可以引起光的吸收。N型半导体未电离的杂质原子，吸收光子能量hν 大于电离能ΔED，则杂质原子的外层电子将从价带跃入导带，成为自由电子；P型半导体吸收光子能量hν大于ΔEA，则价电子产生电离，成为空穴，即称杂质吸收。

不同的电离能有不同的长波限，掺杂的杂质不同，吸收就可以在很宽的波段内产生。

3、激子吸收

在某些情况下，电子在价带中空穴库仑场的束缚下运动．形成可动的电子—空穴对，称为激子。

激子的能量小于自由电子的能量，因此能级处在禁带中。激于子作为一个整体可以在晶格内自由运动，然而它是电中性的，不能产生电流。

4、自由载流子吸收

在半导体材料的红外吸收光谱中发现，在本征吸收限长波测还存在着强度随波长而增加的吸收。这种吸收是由于自由载流子在同一能带内不同能级之间的跃迁而引起的，因此称为自由载流子吸收。