半导体电磁学
半导体物理学前置课程
半导体物理学前置课程
半导体物理学前置课程一般包括以下内容：
1. 固体物理学基础知识：晶体结构、晶格振动、电子能带理论、电子自旋、晶格缺陷等。
2. 电磁学基础知识：电场、磁场、电磁辐射等。
3. 量子力学基础知识：量子力学原理、波函数、量子态、哈密顿算符等。
4. 固体能带理论：包括价带和导带的理解、半导体的能带结构、半导体材料的能带间隙等。
5. 简单能带模型：包括紧束缚模型、自由电子气模型、等效质量近似等。
6. 电子与声子的相互作用：介电函数、声子谱、声子与电子的散射等。
7. 电子在晶体中的输运性质：包括导电性、迁移率、扩散、简单的输运方程等。
8. 光电子学基础知识：吸收、发射、散射、色谱、光电子光谱等。
9. pn结和二极管：pn结的形成、Zero bias和封锁态、偏置态、
二极管的I-V特性、二极管的基本应用等。
10. 器件物理：包括MOS结和MOSFET、BJT、HEMT、HBT 等器件的基本原理和工作原理。
以上是一个大致的半导体物理学前置课程的内容，具体课程内容可能会根据不同学校和教师的要求有所不同。
《半导体磁阻效应》PPT课件
通过计算得到多次散射后的平均速度为
v x
v
y
1
N0
v x N 0Pe- ptdt
0
1
N0
v y N 0Pe- ptdt
0
-q m*
-q m*
1
E x 2
2
1
E y 2
2
-
2E y 1 2 2
2E x 1 2 2
式为中常，数。N0为t=0时未收到散射的电子数， 1为/P平均自由时间，假定其
n型半导体
饱和区：载流子主要由杂质电离贡献，即
n N D p
此时有
p nb2 0
RH
-1
qN D
0
本征区：随着T的升高，
p
nb 2
逐渐变大，
(-)
RH
1/T
RH且 0 逐渐R变H 小。
霍尔效应的应用
测定载流子的浓度和迁移率
➢ n型和p型半导体的霍尔电场方向相反，故霍尔系数的符号是相反的， 由此可以来判断半导体的类型；通过测得的RH 与可以求得载流子的 浓度；在测出电导，可以得到霍尔迁移率。
这样，在E、B的作用下，电流密度为
J x
J
y
-nqv x -nqv y
nq 2 m*
1
E x 2 2
nq 2 m*
1
E y 2 2
-
2E y 1 2 2
2E x 1 2 2
引入霍尔电导率和霍尔电导的概念， xx , xy , yx , yy ,xx ,xy ,yx ,yy
霍尔迁移率与迁移率的比值为
H
p
H
n
p2v 2 v 2 pv 2 2
n2v 2 v 2 nv 2 2
华南理工大学半导体物理第七章课件
2 2
j x Bz
2 2
en n p p
若令b n p ，则有
1 p nb 2 RH e p nb2
在两种载流子同时导电的情况下，稳定以后， y方向的总电流为零，但是电子和空穴在y方向的电流 并不分别为零。它们的电流大小相等，方向相反。
霍尔系数与温度T的关系
z
y
x
B
0
I
y
Fy
B
a
I
y
Fy
b
霍尔效应
(a)N型半导体 (b)P型半导体
在电子导电和空穴导电这两种不同类型的半导体中，载流子 的漂移运动方向是相反的，但磁场对它们的偏转作用力方向 是相同的。结果在样品两侧积累的电荷在两种情况下符号相 反，因此霍尔电场或霍尔电势差也是相反的。按照这个道理， 由霍尔电势差的符号可以判断半导体的导电类型。 ⒈霍尔系数 实验表明:在弱磁场条件下，霍尔电场ε y与电流密度jx和磁感 应强度Bx成正比,即 y Rjx Bz 比例系数R称为霍尔系数，它标志霍尔效应的强弱。
两种载流子的霍尔效应
z
y
r B
r
x
e e
n
jn n
p
jn x
p
j p x
jp
• 从动态平衡的角度考虑,稳定时，横向电流 应为零，即载流子分布达到动态平衡。
1 N型半导体(电子霍尔效应)
设磁场为z方向(Bz)，电流为x方向(jn)x。则洛仑兹力方向为 -y方向，电子向-y方向聚集(偏转)。从而产生-y方向的霍尔 电场εy 。 下面考虑载流子运动引起的各种电流。 ①由于在x方向有一恒定电场εx , 因此沿x方向电子的电流密 度为
超导体和半导体材料
超导体和半导体材料超导体和半导体材料是现代科技中非常重要的两类材料。
它们在电子学、电磁学和能源等领域都有着广泛的应用。
本文将分别介绍超导体和半导体材料的特性、应用和未来发展。
1. 超导体超导体是指在低温下具有零电阻和完全抗磁性的材料。
超导体的发现远在1911年，自此之后，科学家们不断研究并发现了许多种类的超导体材料。
1.1 特性超导体的最显著特性是其低温下的零电阻。
在超导态下，电流可以在材料内部无损耗地传输，极大地提高了电流传输效率。
此外，超导体还具有完全抗磁性，即可以屏蔽外界的磁场。
1.2 应用超导体在能源传输、磁共振成像、粒子加速器、磁浮交通等方面具有广泛应用。
例如，在能源传输方面，超导体可以用于电力输送线路，提高能源传输的效率。
在磁共振成像中，超导体用于制造高磁场强度的磁体，提高成像的分辨率和灵敏度。
此外，超导体还在科学研究领域扮演着重要角色，如用于粒子加速器和核磁共振实验。
1.3 未来发展虽然超导体在一些特定应用上取得了成功，但其低温运行条件限制了其广泛应用。
因此，科学家们正在寻找高温超导体，以便将其运用到更多领域。
高温超导体能够在接近室温的条件下实现超导态，为超导体应用带来了更多的可能性。
2. 半导体材料半导体材料是指在温度条件下具有介乎于导体和绝缘体之间电导率的材料。
半导体材料的研究和应用可以追溯到20世纪初。
2.1 特性半导体材料的最显著特性是其电导率介于导体和绝缘体之间。
这种特性使得半导体材料可以根据外界条件（如温度、压力）进行控制和调节。
此外，半导体材料还具有光电效应，即光照射时可以发生电子激发和电流流动。
2.2 应用半导体材料在电子学和光电子学领域具有广泛应用。
晶体管是半导体材料最重要的应用之一，它作为电子器件的基本构件，广泛应用于计算机、手机和其他电子设备中。
此外，半导体材料还能够产生光电效应，用于激光器、光电二极管等光电子器件。
2.3 未来发展随着科技的不断进步，半导体材料的研究和应用也在不断发展。
半导体知识点总结高中
半导体知识点总结高中一、半导体的概念半导体是介于导体和绝缘体之间的一类物质。
在半导体中，电子的导电能力比绝缘体好，但并不及导体好。
半导体的导电机制是通过外加电场或光照来改变材料的导电性质。
二、半导体的基本性质1. 禁带宽度：半导体的能带结构是由价带和导带组成，两者之间的能带间隙称为禁带宽度。
禁带宽度决定了半导体的电学特性，一般被用来区分半导体的种类，如硅、锗等。
2. 导电机制：半导体的导电机制主要有两种，一是载流子的浓度可以通过外加电场或光照来改变，此时的导电机制称为电场效应或光照效应。
二是在高温下，少数载流子的浓度大大增加，使得半导体发生了电导，此时的导电机制称为热激发。
3. 施主和受主：半导体材料中的掺杂原子可以分为施主和受主，施主是指掺入材料中导致材料带负电性的原子，而受主是指导致带正电性的原子。
4. 电子与空穴：当半导体中的原子受到激发时，可以形成自由电子和自由空穴，这两者是载流子的基本单位。
三、半导体器件1. 二极管：二极管是一种半导体器件，它由P型区和N型区组成，具有单向导电性。
当加在二极管两端的电压大于开启电压时，二极管就开始导电了。
2. 晶体三极管：晶体三极管是一种电子器件，是由两个P型半导体和一个N型半导体层堆积而成的。
晶体三极管有放大信号、开关控制信号等功能。
四、半导体材料1. 硅(Si)：硅是目前最常用的半导体材料，具有稳定性好、制备工艺成熟、价格便宜等特点。
硅半导体的电子迁移率不高，电导率较低，但是它便宜易得，并且有很好的化学稳定性。
2. 锗(Ge)：在早期半导体技术中，锗是最早用作半导体材料的。
锗具有良好的电子迁移率，是一种重要的电子材料。
五、半导体的应用1. 微电子器件：微电子器件是半导体的最主要应用之一。
我们所见到的电子产品、电脑、手机等都离不开半导体器件。
2. 光电器件：半导体材料具有优异的光电性能，可以制备出各种光电器件，如光电二极管、光电晶体管等。
3. 太阳能电池：半导体材料可以转化光能为电能，利用太阳能电池板中的半导体材料可以将阳光直接转换为电能。
华南理工大学半导体物理课件半导体的热电、磁电及压阻效应
1半导体的电场和温度场同时存在时会引起温差电现象2 在电场和磁场同时存在时会产生磁电效应3 在电场、磁场、温度场同时存在时会引起热磁电效应4 在外力作用下会引起压阻效应。
式中负号表示热量由高温流向低温比例系数称为传导率或称热导系数。
8.1 半导体热传导和热电效应1 .半导体热传导dsdtdxdTdQ当晶体中存在温度梯度时热能由高温部分向低温部分传递最后趋于一致。
传导的热量dQ与传递方向的温度梯度、传导时间dt及热流通过的横截面积ds成正比。
一维情况8-1dxdTW在单位时间内通过单位面积的热量称为热能流密度可表示为对于半导体通常是晶格热导占主要地位但在载流子浓度很高的半导体中晶格热导和载流子热导都要考虑。
cp8-28-3其中晶格热导声子热导通过格波的传播声子运动传递热能如绝缘体中的热传导。
载流子热导通过载流子的运动来传递热能如金属中电子的运动。
式中u 为声子的平均速度Cv为单位体积的定容热容量为声子的平均自由程。
pVlCu31p理论分析表明声子对热传导的贡献pl理论也表明载流子对传导率的贡献与电导率之间的关系服从维德曼佛兰茨定律LTc8-48-5式中L为洛仑兹常数。
对等能面为球面的非简并半导体有在简并情况下计二级近似220cqk25T2202cqk3T8-68-7当载流子主要受长声学波散射时2/1主要受电离杂质散射时2/31塞贝克效应2 . 半导体的热电效应图81 n型半导体中的塞贝克效应温差电效应半导体两端因存在温度梯度而使载流子从高温端流向低温端产生电场载流子扩散与漂流同时存在最后达到平衡。
这样半导体内部具有一定的电场两端形成一定的电势差简称温差电动势。
dTds式中为温差电动势率。
8-8塞贝克效应当两块不同的半导体或导体相互接触在两个接触端存在不同的温度时两块半导体或导体接触组成的回路会有电流流达这种现象称为塞贝克效应。
这个回路称为温差电偶热电偶。
由8-8式可得热电偶的温差电动势为ababababdTddTddTd 此式说明两种材料接触形成的热电偶的温差电动势率等于这两种材料的温差电动势率之差。
半导体物理课件 (8)半导体的霍尔效应
0
R
H
02
2 0
B
2 z
npb(1 b)2 (nb2 p)2
为横向磁阻系数
RHo为弱磁场时的霍尔系数
三、几何磁阻效应
1．长条样品(N型)
I
I
Bz
JE
E J
Bz=0，=x
Bz0
● 空穴在磁场力作用下，漂移运动发生偏转，
使电流产生横向分量，形成的横向电流J
B py
；
● 电子在磁场力作用下，漂移运动发生偏转，
使电流产生横向分量，形成的横向电流J
B ny
；
● 电子和空穴在 y 方向霍尔场作用下形成的
电流
J
py
，
J
ny
(1) y 方向的空穴电流密度(Jp)y
(J p )y
(J
§4-5 半导体的霍尔效应
一、P型半导体霍尔效应
1. P型半导体霍耳效应的形成过程
z y
x
Bz
I+
Bd
εy
_
○
fεx
fL
f
b VH
A l
电场力：fε=qεx 磁场力：fL=qVxBz
qεy
fεx fL
y方向的电场强度为：εy
平衡后： q y f L 0
q y f L qVx Bz
y Vx Bz
—几何磁阻效应
磁阻的大小：
R RB R0
R0
R0
或
1 1
B 0 B 0 B 0
0
0
1
B
0
二、物理磁阻效应
1．一种载流子
P型：电场加在x方向，磁场在z方向
y : q y
半导体器件中的电磁学原理研究
半导体器件中的电磁学原理研究半导体器件是现代电子技术中不可或缺的重要组成部分，其性能和功能的提升与电磁学原理密切相关。
本文将从电磁学角度探讨半导体器件中的一些关键原理和研究进展。
一、电磁学与半导体器件电磁学是物理学的一个重要分支，研究电荷的运动和电磁场的相互作用。
在半导体器件中，电磁学原理在器件的设计、制造和应用中起到关键作用。
例如，半导体材料的导电性质、能带结构和载流子的输运行为都与电磁学原理密切相关。
二、PN结与电场效应PN结是半导体器件中常见的结构，由P型半导体和N型半导体的结合而成。
在PN结中，电磁学原理中的电场效应起到重要作用。
当P型半导体和N型半导体之间形成电势差时，会产生电场。
这个电场会影响载流子的运动，从而影响器件的性能。
通过调控电场效应，可以实现PN结的整流、放大和开关等功能。
三、光电效应与光电器件光电效应是电磁学原理在半导体器件中的另一个重要应用。
光电效应是指当光照射到半导体材料上时，光子的能量被吸收并转化为电子能量，从而产生电流。
这种现象被广泛应用于光电器件，如光电二极管、太阳能电池等。
通过研究光电效应的机理和调控光电器件的结构，可以提高器件的光电转换效率和响应速度。
四、磁电效应与磁电器件除了光电效应外，电磁学原理还可以应用于磁电效应。
磁电效应是指当外加磁场作用于某些材料时，会产生电荷分布的变化，从而产生电压差。
这种现象被应用于磁电器件，如磁电传感器和磁电存储器。
磁电效应的研究可以提高器件的磁敏感度和响应速度，为磁存储技术的发展提供基础。
五、电磁辐射与电磁兼容性在半导体器件的设计和制造过程中，电磁辐射和电磁兼容性是需要考虑的重要问题。
电磁辐射是指器件在工作过程中产生的电磁波，可能对周围环境和其他器件造成干扰。
电磁兼容性是指器件在电磁环境中正常工作而不受干扰的能力。
通过研究电磁学原理，可以优化器件的结构和材料，减少电磁辐射和提高电磁兼容性。
六、电磁学原理的研究进展随着科学技术的不断发展，电磁学原理在半导体器件中的研究也在不断深入。
半导体陶瓷的电磁性能与应用研究
半导体陶瓷的电磁性能与应用研究概论随着科技与工业的不断发展，人们对于电子器件的需求也不断增加。
半导体材料作为电子器件制造中的关键材料，其电磁性能和应用越来越受到研究者的关注。
其中，半导体陶瓷作为一种特殊的半导体材料，在电磁性能及其应用方面也显示出了独特的优势。
电磁性能研究半导体陶瓷的电磁性能研究主要包括导电性能、介电性能和磁性能等方面。
在导电性能方面，半导体陶瓷具有较高的电导率，能够有效传导电流，实现电子器件的正常工作。
与普通的陶瓷材料相比，半导体陶瓷的电导率要高得多，这使得其在电子器件的导电路径中发挥着重要作用。
介电性能方面，半导体陶瓷的介电常数较高，具有优良的绝缘性能，能够在电子器件中提供良好的电绝缘和隔离效果。
磁性能方面，半导体陶瓷表现出一定的磁性，这使得其在磁场感应和磁信号传输方面具备潜在应用价值。
应用研究半导体陶瓷的应用研究主要涵盖电子器件、传感器和制备技术等领域。
首先，在电子器件方面，半导体陶瓷可用于制造晶体管、二极管、整流器等元件，其导电性能和介电性能可以提供良好的电流传输和电绝缘性能，从而实现电子器件的正常工作。
其次，在传感器方面，半导体陶瓷具有较高的敏感性和稳定性，能够用于温度、湿度、光照等环境参数的监测和控制。
最后，在制备技术方面，半导体陶瓷的高温稳定性使得其在陶瓷材料的制备中具有重要意义，例如高温烧结技术可以用于制备高性能的半导体陶瓷材料。
实验方法为了研究半导体陶瓷的电磁性能和应用，一系列实验方法被广泛运用。
首先，导电性能可以通过四探针电阻率测试仪进行测量，通过在样品上施加电压和测量电流，从而计算出样品的电阻率。
其次，介电性能可以通过介电材料测试仪进行测量，该仪器能够测量样品的介电常数和介电损耗等参数。
磁性能可以通过磁化曲线和磁滞回线测试仪进行测量，这些曲线能够提供样品的磁化程度和磁滞损耗等信息。
结论半导体陶瓷作为一种特殊的半导体材料，在电磁性能与应用方面具有独特的优势。
其导电性能、介电性能和磁性能的研究，对于电子器件的正常工作、传感器的稳定性和制备技术的发展都具有重要作用。
半导体物理课件 (5)半导体中的载流子在电磁场中的运动
－°°•疏•°密 °• °• +•°°••密疏• •° •° •°－ °•疏•°密
+++ -
++++ --
+++
--+ ---+ ---
+++ -
++++ --
+++
--+ ---+ ---
+++ -
++++ --
+++
+- +- +
纵光学波
极化场
离子晶体
纵光学波的散射几率Po:
电离杂质的散射几率 Pi 与温度 T 和杂质浓度 Ni 的关系：
Pi NiT 3/ 2
2.晶格散射（格波散射）
（1）声学波 横声学波 纵声学波
● 横声学波
平衡时
○
○
振动时
○ ○
○
○
○
○ ○ ○
波的传播方向
● 纵声学波
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
平衡时 • • • • • • • • • •
使电流产生横向分量，形成的横向电流J
B ny
；
● 电子和空穴在 y 方向霍尔场作用下形成的
电流
J
py
，
J
ny
(1) y 方向的空穴电流密度(Jp)y
(J p )y
(J
B p
)
y
(J
p
)
y
pqp y
第十二章半导体在磁场中的几种效应
第十二章半导体在磁场中的几种效应§12.1霍耳效应（The Hall Effect ）一、霍耳效应一样品受到x 方向的电场x E （在样品中存在电流x J ），z 方向的磁场（z B ），于是在y 方向上产生一个横向电场yE ，这一现象就称为霍耳效应。
即y H x zE R J B =式中比例系数H R 称为霍耳系数，y H x zE R =J B 二、只有一种载流子的霍耳效应设样品的温度是均匀的，并且认为所有载流子都具有相同的速度，不考虑速度的统计分布。
1、p 型半导体只有一种载流子——空穴在z B 的作用下，空穴受洛仑兹力的作用f qv B =⨯，向y -方向偏移，使样品的左面积累空穴，电位升高，故在样品的y 方向形成霍耳电场y E，沿y 的正方向。
空穴在y方向同时受到霍耳电场力和洛伦兹力的作用，但其合力应为零，即y x z F=0E v B ⇒=；又因xx x x J J =qpv v qp⇒=；所以H 1R 0pq=>，单位为3m /C ，上式表明霍耳系数与空穴浓度成反比。
2、n 型半导体：H 1R 0nq=-<三、有两种载流子的霍耳效应沿x 方向的电流密度为：()x n p x J q n p E μμ=+设产生的霍耳电场y E 沿y 的正方向。
平衡时，横向电流为零，包括空穴横向电流()p yJ 和电子横向电流为()n y J ，所以：()()y pnyyJ J J 0=+=。
但此时空穴和电子电流分别并不为零：空穴：()2p p y p x zyJ =pq E pq E B μμ-电子：()2n n y n x zy J =nq E +nq E B μμ可以得到：22p n y x zp np n E E B p n μμμμ-=+所以()22p n H 2pnp n 1R q p n μμμμ-=⋅+令n pb μμ=，得：()2H 21p nbR qp nb -=⋅+分析霍耳系数随温度的变化：对于大多数的半导体，因为电子迁移率一般都大于空穴迁移率，所以下面讨论时都设b 1>。
半导体器件的磁性特性
半导体器件的磁性特性半导体器件作为电子设备中的重要组成部分，广泛应用于通信、计算机、汽车电子等领域。
除了电性特性外，半导体器件的磁性特性也备受关注。
本文将就半导体器件的磁性特性展开讨论，分析其原理和应用。
一、半导体材料的磁性一般来说，半导体材料是不具有磁性的，因为它们的原子结构中没有未成对的电子自旋。
然而，一些特殊情况下，半导体材料却呈现出了磁性特性。
1. 随机合金随机合金是由不同原子组成的固溶体，如铁锌铱合金。
这类合金中的原子在晶体结构中是无序的，存在着未成对的电子自旋。
因此，随机合金具有一定的磁性。
2. 锌酸铁锌酸铁（ZnFe2O4）是一种特殊的磁性半导体材料。
它的晶体结构中存在着铁离子和氧离子，铁离子之间通过氧离子的介质形成磁性。
锌酸铁既具有半导体的电性特性，又具有磁性，因此在信息存储、传感器等领域有广泛应用。
二、磁敏半导体器件磁敏半导体器件是指能够通过磁场改变其电性特性的半导体器件。
由于其磁导率的变化，可以实现磁场测量和控制功能。
1. 磁电阻效应磁电阻效应是指材料在磁场作用下的电阻发生变化的现象。
其中，最著名的就是巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance，GMR）。
GMR在1998年由弗尔科夫和格伊辛格发现，并因此获得了诺贝尔物理学奖。
GMR的原理是，在特定的材料和结构中，通过调控自旋方向和巨磁阻效应层之间的耦合强度，实现磁场敏感性的调节。
2. 磁阻效应的应用磁敏半导体器件的一个重要应用是磁传感器。
磁传感器常用于测量电子设备中的磁场，如手机中的指南针、磁力计等。
此外，磁敏半导体器件还可以用于磁存储器件、磁隧道结、磁电存储器器件等领域。
三、磁敏半导体器件的发展趋势随着科技的进步和应用需求的不断增长，磁敏半导体器件也在不断发展。
以下是磁敏半导体器件发展的几个趋势：1. 高灵敏度随着信息技术的发展，对磁场传感器灵敏度的要求越来越高。
未来磁敏半导体器件将进一步提高其灵敏度，以满足更为精确的应用需求。
麦克斯韦半导体现象
麦克斯韦半导体现象《麦克斯韦半导体现象：电流与电场之间的密切关系》麦克斯韦半导体现象是指在半导体材料中，电流与电场之间存在密切的关系。
这一现象被命名为麦克斯韦半导体现象，以纪念19世纪苏格兰物理学家詹姆斯·麦克斯韦对电磁学做出的重要贡献。
在麦克斯韦半导体现象中，电流的大小和方向受到半导体内电场的影响。
通常情况下，电流在半导体中的运动是由载流子（电子或空穴）的漂移运动和扩散运动共同作用而产生的。
漂移运动是指载流子受到电场力的作用，向相反方向移动，而扩散运动是指由于浓度差异而产生的载流子自发性的运动。
根据麦克斯韦半导体现象，电流的大小可以通过欧姆定律来描述，即电流与电场的大小成正比。
具体来说，载流子的漂移速度与电场强度成正比，即漂移速度随着电场的增加而增加。
而载流子的漂移速度又是决定电流大小的重要因素，因此电流与电场之间的关系唯有密不可分。
麦克斯韦半导体现象在现代电子技术中发挥着重要的作用。
一方面，它提供了一种理解电流与电场之间关系的基础理论，为电流的控制和传输提供了指导；另一方面，麦克斯韦半导体现象还可以应用于各种电子器件的设计和制造，如场效应晶体管（MOSFET）等。
通过研究麦克斯韦半导体现象，科学家们不仅深入了解了电流与电场之间的关系，还进一步推动了半导体技术的发展。
在当今的信息时代，无处不在的电子设备离不开麦克斯韦半导体现象的应用，如计算机、手机、电视等。
可以说，麦克斯韦半导体现象是现代电子技术的基石之一。
总之，麦克斯韦半导体现象揭示了电流与电场之间的紧密联系，为电子器件的设计和制造提供了理论依据。
通过深入研究和应用这一现象，人们能够更好地理解和利用电流与电场之间的相互作用，推动现代电子技术的发展。
半导体的电磁功能
让半导体实现更多电磁功能报告人：陈小龙地点：武汉大学宽禁带半导体材料具有热导率高、击穿电场高等特点，在高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件等方面具有广泛的应用前景。
在国家自然科学基金、科技部和北京市科委的资助下，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)研究员陈小龙及其领导的功能晶体研究与应用中心一直致力于宽禁带半导体磁性起源问题的研究。
最近，他们从实验和理论上证明了双空位导致磁性，并在实验上给出了直接证据。
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，而把氮化镓(GaNP) 、碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料。
由于这些材料的带隙更宽(禁带宽度大于2个电子伏特)，和硅半导体材料相比，它们表现出更优越的电磁特性，可以实现更多电磁功能。
比如电脑的CPU 运转起来会发热，如果温度过高，半导体材料就会失去其电磁性能，CPU就不能工作，所以CPU大多要加风扇冷却。
普通的半导体硅工作环境是100摄氏度左右，而碳化硅材料可以在几百摄氏度的环境下工作。
”宽禁带半导体材料有与硅、砷化镓不同的微结构，因而具有独特的光学、电学性质。
它们一般有更高的击穿电场、高饱和漂移速度和高热导率，小介电常数和高的电子迁移率，以及抗辐射能力强等特性，从而成为国内外研究的热点，更成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料。
目前非常受人瞩目的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源。
它将逐步取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命。
而氮化镓基高效率、高亮度发光二极管(LED)的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。
DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长的平方成反比，氮化镓基短波长半导体激光器可以把当前使用的砷化镓基半导体激光器的DVD 光存储密度提高4至5倍，将会成为光存储和处理的主流技术。
半导体电磁学课件
04
半导体器件的电磁特性
二极管的电磁特性
正向特性
当外加正向电压时，由于外电场 与内电场相互抵消，正向电流随 电压的增大而快速增大。
反向特性
当外加反向电压时，由于外电场 与内电场相互加强，反向电流很 小，通常可以忽略不计。
双极晶体管的电磁特性
电流放大作用
双极晶体管具有电流放大作用，即基 极电流的变化可以控制集电极电流的 变化。
介电常数和磁导率
描述物质对电场和磁场响 应的参数，与物质的电磁 性质密切相关。
半导体的基本性质
能带结构
半导体的电子结构由价带 和导带组成，禁带宽度较 小，容易发生电子跃迁。
载流子
半导体中的导电粒子，包 括自由电子和空穴，控制 着半导体的导电性能。
掺杂
通过向半导体中添加杂质 元素，改变其能带结构和 载流子浓度，从而改变其 导电性能。
静磁场效应在半导体器件中也有广泛 应用，如磁传感器和磁记录器件。
半导体的交变电磁场效应
交变电磁场对半导体中电子和空穴的激发和散射产生影响，导致载流子浓度的变化 和电流的调制。
交变电磁场效应在射频和微波器件中起着重要作用，如振荡器和放大器。
交变电磁场效应可以通过外部信号源进行控制，从而实现信号的放大、调制和解调 。
半导体中的电磁现象
光电效应
当光照射在半导体表面时，半导体吸 收光子能量，产生电子-空穴对的现象 。
热电效应
霍尔效应
当电流在磁场中通过半导体时，产生 横向电压的现象。
当半导体受到温度梯度作用时，产生 电动势的现象。
02
半导体中的电磁波
电磁波在半导体中的传播
电磁波在半导体中的 传播速度小于在真空 中的光速。
电荷积累。
半导体磁效应课件
磁阻效应实验
总结词
磁阻效应是指磁场对导体电阻的影响，当电 流通过有磁场的导体时，磁场会对载流子产 生洛伦兹力，导致电阻发生变化。
详细描述
磁阻效应实验可以帮助我们了解磁场对半导 体电阻的影响，以及磁场对载流子运动行为 的控制。通过该实验，可以观察到磁阻效应 与磁场、电流之间的关系，进一步揭示半导
体的磁学性质。
半导体磁效应的重要性
基础研究
揭示半导体中电子的运动规律和相互 作用机制，促进物理学科的发展。
应用价值
在磁存储、磁传感器、磁电子学等领 域具有广泛的应用前景，为现代信息 技术的发展提供重要支撑。
半导体磁效应的历史与发展
早期研究
当前研究热点
20世纪初，科学家开始研究磁场对金 属导电性的影响，发现了霍尔效应等 重要现象。
垂直磁记录技术（PMR）
利用半导体的垂直磁化方向，提高磁存储器的存储密度和稳定性。
磁电子学
磁电子晶体管
利用半导体的磁电子效应，实现电子 的磁控传输和开关，具有低功耗、高 速响应等优点。
磁电子整流器
利用半导体的磁电子效应，实现电流 的整流和开关，常用于电源管理、电 机控制等。
磁光电子学
磁光调制器
利用半导体的磁光效应，实现光束的调 制和开关，常用于光通信、光信号处理 等领域。
详细描述
常磁阻效应是指磁场对导体电阻的影响，由于磁场的作用，电子受到洛伦兹力， 改变了电子的运动轨迹，从而改变了电阻值。巨磁阻效应是指磁性材料的电阻随 磁场的变化而发生大幅度变化的效应，这种效应在磁性材料中非常显著。
磁致伸缩效应
总结词
磁致伸缩效应是指铁磁性材料在磁场中发生长度或体积变化 的现象。 Nhomakorabea详细描述
半导体和金属板磁场
半导体和金属板磁场半导体与金属板磁场是现代物理学与电子工程领域中非常重要的研究对象。
半导体材料在电子器件、集成电路以及光电器件等方面具有广泛应用，而金属板磁场则在电磁屏蔽、磁记录以及磁共振成像等领域发挥着重要作用。
本文将详细探讨半导体与金属板磁场的基本特性、应用领域以及它们之间的相互影响。
一、半导体磁场特性半导体材料具有一定的磁场敏感性，其磁响应主要来源于材料内部的电子自旋和轨道运动。
半导体中的电子在磁场作用下，能级结构会发生变化，导致材料的电学、光学等性质发生相应改变。
此外，半导体材料中的杂质和缺陷也会对磁场响应产生影响。
半导体磁场特性的研究对于半导体器件的设计与优化具有重要意义。
例如，在半导体激光器中，利用磁场调制半导体材料的能带结构，可以实现对激光波长的调谐。
在半导体磁传感器中，通过测量半导体材料在磁场作用下的电阻、霍尔效应等物理量的变化，可以实现对磁场的精确检测。
二、金属板磁场特性金属板在磁场作用下会产生涡流，进而形成感应磁场。
金属板的磁场特性与其电导率、磁导率以及板厚等参数密切相关。
一般情况下，金属板的磁导率较高，可以有效地屏蔽外部磁场，降低磁场对周围环境的影响。
金属板磁场在电磁屏蔽、磁记录以及磁共振成像等领域具有广泛应用。
例如，在电磁屏蔽方面，利用金属板的高磁导率特性，可以有效地屏蔽电磁辐射，保护电子设备和人员的安全。
在磁记录方面，金属板磁场可以用于制作硬盘、磁带等磁存储介质，实现信息的存储与读取。
在磁共振成像方面，金属板磁场可以作为成像系统的关键部件，提供稳定的磁场环境，保证成像质量。
三、半导体与金属板磁场的相互影响半导体与金属板磁场之间存在一定的相互影响。
首先，金属板磁场会对半导体材料的磁场响应产生影响。
当半导体材料置于金属板附近时，金属板产生的感应磁场会叠加在外部磁场上，导致半导体材料的磁场响应发生变化。
这种影响可能会导致半导体器件的性能波动或失效，因此需要在设计时进行充分考虑和优化。
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四.
在通有电流强度I的导体中，沿电流线方向任取一个 小圆柱体，通过的电流强度为dI，长度为dl，横戴面积 为dS，使圆柱体的轴线和它所在处的电场强度 E的方向 一致，面积dS垂直于E。沿电场方向圆柱体两端的电势 为U和U＋dU，圆柱体电阻为R，电流密度矢量为j。则
dU dI R dl R 而 dI = j d S dS
1 1 S G= = ＝ R（S）,式中
叫电导率，它是电阻率的倒数。
当导体的横截面积不均匀或电阻率不均匀时，导 体的电阻 dR R dR dS
1
当温度发生变化时，导体的电阻率也要改变。实验
0 1 t
式中ρ 0 是0℃时导体的电阻率，α 称为电阻温度系数， 其单位为1／℃，不同材料其值不同。由此可见，温度 越高，电阻率越大。
五.电功及电热定律
电流通过一段电路时，电场力作的 电功 A = qU =IUt 电功率
P = A/t =IU
其单位分别为焦尔(J)和瓦(W)。此二式是普遍适用的式 子而不论何种用电器。在电场力作功过程中，电势能转 变成其他形式的能，如纯电阻电路将全部转变为内能， 电解池电路将转变为化学能和少量内能，电动机电路将 转变为机械能和少量内能等等。
当温度降到某一特定热力学温度Tc时，某些金属、 合金以及金属化合物的电阻率会几乎减小到零，这种 现象叫超导现象。能产生超导电现象的材料叫超导体， 超导体处于电阻率为零的状态叫超导态。Tc叫做转变 温度。
到目前为止，通过对各种金属的实验测定，人们已 发现在正常压力下，有28种元素具有超导电性，其中 铌 (Nb)的转变温度最高，Tc＝9.26 K，钨(W)的转变 温度最低，Tc＝0.012 K。另外有10多种金属， 在加 压和制成高度无序薄膜以后，也会变为超导体。目前 约有5000种合金和化合物具有超导现象，最高转变温 度已达90 K。
二.电阻定律
一般金属导体电阻的大小与导体的材料和几何形状有 关。实验指出，对由一定材料制成的横截面均匀的导体 的电阻
l R S
该式称为电阻定律。 式中l是导体的 长度，S是导体的截面积， 比例系数ρ 是导体的电阻率 ，单位是欧姆·米 (Ω·m) ，大小由材料性质决定。
电阻基准
电阻的倒数叫电导，用符号G表示，即
本节讲授
第三章 稳恒电流
§3.2 欧姆定律 焦耳定律 主讲：物理系教授 孟振庭
一. 均匀电路的欧姆定律
所谓均匀电路，就是一段不含电源的稳恒电路，比如 给导体两端加上恒定的电势差UAB ，导体中相应地就存 在着稳恒电流，电势差越大，电流强度I就越大，导体中 的电流强度I和导体两端的电势差之间的关系由实验得出 为 U ab I R 该式称为均匀电路的欧姆定律。 式中R是常数,称为导体的电阻，在 国际制单位中的单位为欧姆(用Ω表示)。实验表明欧姆 定律它不仅适用于金属导体，而且对电解质溶液也适 用，但它对气态导体(如日光灯中汞蒸汽)和其它一些导 电器件(电子管、晶体管)则不成立。
三.半导体和超导体
一般把电阻率小于 10-6Ω·m 的材料叫导体，电阻 率大于 106Ω·m 的材料叫绝缘体，电阻率在 10-6 ～ 106Ω·m 之间的材料叫半导体，锗和硅是最常见的半 导体。
半导体材料有以下特点： ①当温度发生变化时，其导电性能会急剧变化，温度 升高，其电阻会急剧减小，(这与上述的金属导体完全 相反)并且变化不是线性的。 ②适当掺杂，其导电性能会急剧增加。 ③光照时其导电性能也会发生变化。 基于以上三点，半导体材料获得了广泛的应用，由 此制作的二极管、三极管、场效应管以及集成电路等 已成为电子线路最重要的元件。
Q I 2 Rt 该式叫电热定律，也叫焦耳定律，其电热功率为
电热功率密度
dQ p I 2R dt
2 2
dP RdI dI 2 Q j 2 E E 2 dV dSdl dS
也称作焦耳定律的微分形式，它像欧姆定律的微分形 式一样，是对任意一点都是成立的。 例题1：长为l，内外极半径分别为rA和rB中间填满电 阻率为ρ 介质的圆柱形电容器，极间加以电压U，试求 介质的漏电阻、电流密度和极间电场强度。 解：设圆柱形电容器内外极板间漏电流为I，由于漏 电流是沿径向从内向外对称分布的，因而在距圆柱轴 线r处，总电流I所通过的截面积 S＝2πrl，所以由欧
费利(File)等人用核磁共振方法测量超导电流产生 的磁场来研究螺线管内超导电流的衰减，他们得到的 结论是超导电流的衰减时间不短于 10 万年，这样的电 流真可称为永久电流，可见超导体处于超导态时是一 种完全导电的理想导体。1933年迈斯纳用实验还证明 了，在超导状态下，超导体内部磁场消失，它是一个 理想的抗磁体。 超导研究是目前物理学上一个活跃的领域，其主要 工作有以下几个方面：①完善关于超导电性的理论解 释；②提高较变温度Tc，这直接关系到超导体的应用 问题；③关于超导的应用研究。在目前世界上竞相开 展的超导研究热潮中，我国中科院物理所的研究工作 一直走在世界的前列。
则 而
I I 1 j E E S 2rl I E 2rl I rB rB I U E dl rA dr ln 2rl 2l rA
I r ln B 2l rA U rB R ln I 2l rA
j I U 2rl r ln rB
所以 jdS Edl 1 EdS =γ EdS dl dS 即
dU E dl
j = γE
称作欧姆定律的微分形式。
它表明导体中任意一点的电流密度与该点的电场 强度成正比，且同方向。
欧姆定律的微分形式虽是在稳恒电流情况下推出的， 但对电流变化不很快的非稳恒情况也适用，因此它比 欧姆定律的积分式 I=U/R
所以
漏电阻 漏电流密度 介质中场强
U
rA
E j
U r ln rB
rA