作业(3)及答案.ppt

1、第三章 作业题,什么是霍尔效应？为什么可以利用霍尔效应检验材料是否存在电子电导？并分析制作霍尔元件的材料为什么常采用N型半导体？ ZrO2用做汽车氧传感器时，通常用来测量发动机空燃比。请你查阅资料，阐述其工作原理并弄清目前发动机空燃比达到多少时效果最佳。 TiO2在缺氧的气氛中易形成阴离子缺位，利用缺陷化学原理，分析TiO2电导率与氧分压的关系。 P108 3.3 3.9 3.10,此次作业在10月19日交！,什么是霍尔效应？为什么可以利用霍尔效应检验材料是否存在电子电导？并分析制作霍尔元件的材料为什么常采用N型半导体？ 答：通过电流的试样在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场同时垂直的方

2、向上形成电荷积累而出现电势差的现象。具体过程如下图。 由于电子在磁场作用下，产生横向移动，离子的质量比电子大得多，磁场作用不足以使它产生横向位移，因此可以利用霍尔效应检验材料是否存在电子电导。 霍尔系数 ，霍尔系数越大，霍尔元件灵敏度越高。对于金属材料，电子迁移率比较大，但电导率也比较高，霍尔系数反而较小；对于半导体材料，导电率适中且电子迁移率比空穴迁移率高，所以常采用N型半导体来制作N型半导体。,ZrO2用做汽车氧传感器时，通常用来测量发动机空燃比。请你查阅资料，阐述其工作原理并弄清目前发动机空燃比达到多少时效果最佳。 答：氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作

3、用。其基本工作原理是：在一定条件下(高温和铂催化)，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。在高温及铂的催化下，带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上。由于大气中的氧气比废气中的氧气多，套管上与大气相通一侧比废气一侧吸附更多的负离子，两侧离子的浓度差产生电动势。当套管废气一侧的氧浓度低时，在电极之间产生一个高电压(0.61V)，这个电压信号被送到ECU放大处理，ECU把高电压信号看作浓混合气，而把低电压信号看作稀混合气。,空燃

4、比A/F(A：air-空气，F：fuel-燃料)表示空气和燃料的混合比。空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。 理论空燃比：即将燃料完全燃烧所需要的最少空气量和燃料量之比。燃料的组成成分对理论空燃比的影响不大，汽油的理论空燃比大体约为14.8，也就是说，燃烧1g汽油需要14.8g的空气。一般常说的汽油机混合气过浓过稀，其标准就是理论空燃比。空燃比小于理论空燃比时，混合气中的汽油含量高，称作过浓；空燃比大于理论空燃比时，混合气中的空气含量高，称为过稀。 混合气略微过浓时，即空燃比为13.5-14时汽油的燃烧最好，火焰温度也最高。因为燃料多一些可使

5、空气中的氧气全部燃烧。 而从经济性的角度来讲，混合气稀一些时，即空燃比为16时油耗最小。因为这时空气较多，燃料可以充分燃烧。,TiO2在缺氧的气氛中易形成阴离子缺位，利用缺陷化学原理，分析TiO2电导率与氧分压的关系。,高温条件下，在缺氧的气氛中，TiO2中存在的缺陷化学反应如下：,质量作用定律,在低氧压区，以单电离为主，电中性方程为：,因此，此时电导率与氧分压的-1/4成正比。 在高氧压区，以双电离为主，电中性方程为：,此时电导率与氧分压的-1/6成正比。,在中氧压区，单电离和双电离同时存在，电中性方程：,此时电导率与氧分压的-1/5成正比。,3.3 已知CaO为盐岩型结构，其晶格常数a=4

6、.6210-8cm，且CaO的电导率主要由Ca2+引扩散引起，1500时Ca2+的扩散系数为cm2/s，求1500时CaO的电导率。 解答：CaO为盐岩型结构，其晶胞中含有4个CaO。,3.9、根据缺陷化学原理，推导ZnO电导率与氧分压的关讨论添加Li2O对ZnO电导率的影响。 金属氧化物ZnO由于金属离子过剩形成间隙离子缺陷，通常表示为Zn1+O，其缺陷化学反应为,根据质量作用定律有：,此时电子浓度与氧分压的-1/4次方成比例。 在高氧压区，填隙金属离子全部电离，电中性方程为：,在低氧压区，以单电离填隙金属离子缺陷为主，电中性方程为：,解得,此时电子浓度与氧分压的-1/6次方成比例。 在中氧

7、压区，单电离和双电离填隙离子同时存在，电中性方程为：,解得,解得,则,此时电子浓度与氧分压的-1/5次方成比例。,加入Li2O,其缺陷反应式为：,在低氧压下，随氧分压和杂质含量的增加，电子浓度逐渐降低，空穴浓度逐渐增加，由于空穴与电子的复合，导致n型电导率降低；当氧分压增加到某一定程度，2Zni=LiZn，n=p，本征缺陷占主导，电导率降到最小值；当氧分压和杂质含量进一步增加，空穴的浓度进一步增加，材料的多数载流子为空穴，材料由n型向p型转变，电导率逐渐增加。,3.10 为什么金属材料的电阻率随温度升高而增加，半导体和绝缘体材料的电阻率却随温度升高而下降？为什么非本征半导体对温度的依赖性比本征半导体小？当温度足够高时，为什么非本征半导体的电阻率与本征半导体的趋于一致？ 答：温度升高，晶格振动越强，载流子的晶格散射也增强，迁移率下降，则电导率下降，电阻率升高；对半导体和绝缘体而言，载流子是由热激发产生的，其浓度与温度成指数关系，因此温度越高，载流子浓度越大，电导率上升，电阻率下降。 对于非本征半导体，由于杂质能级的存在，在低温区，忽略本征激发，仅考虑杂质