摘要：为了培养学生做实验的独立与协作精神，在同一台仪器上设计了两个相关的大学物理创新性实验。本文以侧向光伏效应与双极性电阻效应测量两个具体实验为例，阐述这一设计理念。
关键词：大学物理实验；创新性；独立；协作
中图分类号：G423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）08-0244-02
一、引言
上海工程技术大学的物理实验，学生每人一台实验仪器。优点是培养了独立做实验的能力，缺点是同学们之间不能协作讨论完成较为复杂的实验。如果两人同做一组完全相同的实验，会导致动手能力强的学生在做实验，动手能力弱的同学“袖手旁观”，得不到充分锻炼。为了全面培养学生的独立与协作精神，特意在同一台实验仪器上开发设计了两个内容互相关联的创新性物理实验。本文以侧向光伏效应与双极性电阻效应测量这两个实验为例，阐述这一设计理念，希望对将来的实验改革有抛砖引玉的借鉴作用。
二、实验原理
侧向光伏效应与双极性电阻效应均是由于电子运动而产生的物理现象。侧向光伏效应是指在点照明条件下，在PN结、金属半导体结、半导体异质结的同一面接上外路电压而测得的光伏效应，如图1所示。在金属半导体结中侧向光伏可以理解为两个铟电极（A和B）收集的电荷数量不同所导致的电势差。侧向光伏效应产生的机理是：点光源照射样品，会在照射位置产生大量电子—空穴对，由于数密度N（r）与周围存在明显差异，会进行扩散，从而产生侧向光伏。侧向光伏的大小对应于A和B两点费米能级之差。在金属面和半导体面均会产生侧向光伏。
侧向光伏的大小随激光照射点位置的变化关系为：LPV=K0［exp（-■）-exp（-■）］ （1），其中K0为比例系数，L为电极间距，d为电子散射波长，x为激光点照射位置。双极性电阻效应是指在点光源照明下（图2），随着点光源在金属—氧化物—半导体结构的表面上移动，电阻有巨大的变化，且呈现双极性。双极性电阻效应产生的机理是：欧姆表测量样品的电阻时，会在铟电极AB两端施加正或负的偏压。以施加负偏压（A-，B+）为例，偏压驱使电子向右漂移。在激光照射点的左边，扩散电子向左运动，将遭遇向右运动的漂移电子，电子碰撞几率大，导致电子间散射增大。部分电子会偏离原来水平运动的方向，隧穿过1.2nm薄的二氧化硅层，与硅衬底中的空穴复合，造成激光点左边的电子数目变少。在激光点的右边，扩散电子向右运动，漂移电子亦向右运动。扩散电子与漂移电子的运动方向相同，电子碰撞几率小，电子间的散射较小，电子基本上保持原来的水平运动方向，隧穿过二氧化硅层，与硅衬底中空穴复合的电子少。因此，激光点右边的电子浓度较高。可推导出AB间的电阻R=R0（1±kx） （2），其中K为比例系数，K0为无光照时的暗电阻，x为激光点位置。±号代表电阻计的正或负的偏压，是电阻双极性产生的由来。
三、实验设计思路
侧向光伏效应与双极性电阻效应的测量过程中，要记录大量的数据，且同时要用电脑控制二维移动平台运动。因此一名学生独立完成一个实验有困难，时间会很紧。两人配合，协同做实验，效率更高。因此，特将侧向光伏效应与双极性电阻效应的实验操作设置的比较接近，两名同学可以分别记录自己需要的参数。拟对侧向光伏效应实验开展如下内容：测量侧向光伏随激光点照射位置的变化关系，计算位置灵敏度、线性相关系数；测量激光点沿y=1mm，2mm，3mm的直线移动时，侧向光伏随激光点x值的变化关系。计算位置灵敏度、线性相关系数；测量激光点沿x=1mm，2mm，3mm的直线移动时，侧向光伏随激光点y值的变化关系。拟对双极性电阻效应实验开展如下内容：使用偏压为1.5伏的万用表，分别在正偏压（A+，B-）与负偏压（A-，B+）下，测量电阻值随激光点照射位置的变化关系。计算位置灵敏度、线性相关系数；使用偏压为3伏的电阻计，分别在正偏压（A+，B-）与负偏压（A-，B+）下，测量电阻值随激光点照射位置的变化关系。计算位置灵敏度、线性相关系数；测量激光点沿y=1mm，2mm，3mm的直线移动时，电阻值随激光点x值的变化关系。计算位置灵敏度、线性相关系数；测量激光点沿x=1mm，2mm，3mm的直线移动时，电阻值随激光点y值的变化关系。学生做完实验，对实验有所理解，要思考两道侧向光伏效应与双极性电阻效应相关联的思考题：激光产生的侧向光伏，可看作以偏压的形式施加在电极AB上，且激光移动经过样品中心点时，偏压会反过来。侧向光伏会影响双极性电阻的测量吗？双极性电阻效应是漂移电子与扩散电子共同作用的结果，而侧向光伏效应中仅有扩散电子，没有漂移电子。为何电阻值与电压值随激光点照射位置的变化是类似的线性关系？双极性电阻效应与侧向光伏效应有什么可能的应用呢？
创新性实验是大学物理实验课程中不可或缺的重要环节，对培养学生的能力至关重要。创新性实验的难度高、用时长。为了培养学生的独立与协作精神，特意在同一台设备上设计了两个内容相关但不相同的实验，学生两人一组可以深入讨论物理过程。为达到这个目的，还特意设计了两道互相关联的思考题。在当前扩招学生的形势下，实验教室与仪器相对略显不足，这样的实验设计不失为一举多得之举。