霍爾效應(yīng)測量.pdf

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1、第三章霍爾效應(yīng)測量測量方法簡介霍爾效應(yīng)（Halleffect）是導(dǎo)電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動(dòng)勢的效應(yīng)。1879年美國霍普金斯大學(xué)研究生霍爾在研究金屬導(dǎo)電機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種電磁現(xiàn)象，故稱霍爾效應(yīng)。后來曾有人利用霍爾效應(yīng)制成測量磁場的磁傳感器，但因金屬的霍爾效應(yīng)太弱而未能得到實(shí)際應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體材料和制造工藝的發(fā)展，人們又利用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)顯著而得到實(shí)用和發(fā)展，現(xiàn)在成為半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)測量的重要手段；被越來越多地用來確定半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度以及禁帶寬度等參數(shù)。一、霍爾效應(yīng)原理1、霍爾效應(yīng)本質(zhì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力的作用而引起的

2、偏轉(zhuǎn)。如果在與電流垂直的方向加有磁場，樣品中就會(huì)引起一個(gè)橫向的電勢差，這個(gè)電勢差方向與電流和磁場方向垂直，這種現(xiàn)象就成為霍爾效應(yīng)。外加磁場Bz由電磁場感生的霍爾電場Ey外加電流jx2、霍爾效應(yīng)中主要參數(shù)表達(dá)式(⑴)霍爾電場EyE?RBj(3-15)yzx22?n???p??nnppR?(3-16)(⑵)霍爾系數(shù)R2q(n??p?)np?R??n(3-17)n對于n型半導(dǎo)體，n>>pnq?p(3-18)R??p對于p型半導(dǎo)體，p>>npq其中,γ是霍爾因子——表征載流子在半導(dǎo)體材料體內(nèi)的碰撞，其大小與溫度和雜質(zhì)濃度有關(guān)（圖3－2），一般取1.(3)霍爾電壓（霍爾電勢差）UHUH?Ey?w

3、sws為樣品的寬度Bz霍爾電場sw寬度Ix厚度ts長度l二、利用霍爾效應(yīng)測量半導(dǎo)體電學(xué)參數(shù)1、判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型2、確定樣品的霍爾系數(shù)R3、由霍爾系數(shù)進(jìn)一步確定樣品的載流子濃度4、由霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率進(jìn)一步確定樣品的遷移率1、判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型洛倫茲受力方向F電流I左手定則:伸開左手讓磁感線穿入手心,四指指向電流方向（正電荷運(yùn)動(dòng)的方向）,那么拇指的方向就是導(dǎo)體受洛倫茲力的方向。須注意，運(yùn)動(dòng)電荷是正的，大拇指的指向即為洛倫茲力的方向。反之，如果運(yùn)動(dòng)電荷是負(fù)的，那么大拇指的指向的反方向?yàn)槁鍌惼澚Ψ较颉?、確定樣品的霍爾系數(shù)RE?RBjyzxEyUH/wsUHts3R???(米/庫侖)UH

4、BjB(I/wt)BIE?zxzxsszxywsBz霍爾電場sw寬度Ix厚度ts長度l3、由霍爾系數(shù)進(jìn)一步確定樣品的載流子濃度對于n型半導(dǎo)體，n>>p，根據(jù)其霍爾系數(shù)表達(dá)式?n?R??n?nnnqRqn對于p型半導(dǎo)體，p>>n，根據(jù)其霍爾系數(shù)表達(dá)式?p?R??ppp?pqRqpl根據(jù)霍爾系數(shù)確定載流子濃度，其準(zhǔn)確性受到霍爾因子的影響。4、由霍爾系數(shù)進(jìn)一步確定樣品的遷移率對于n型半導(dǎo)體，根據(jù)其電阻率/電導(dǎo)率的表達(dá)式??nq?nRn(3-19)??n???n?n?nRqn令R????H,?H稱為霍爾遷移率，是樣品電導(dǎo)率和霍爾系數(shù)的乘積。因此公式(3-19)還可寫成：?H??(3-20)n?

5、n對于p型半導(dǎo)體，同理有：Rp????p?p?H??p?pl說明?根據(jù)霍爾效應(yīng)確定載流子濃度，需要分別測量出樣品的霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率。?電導(dǎo)率的測量可以采用二探針法和范德堡法(p.82)。三、霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置和測試方法1、實(shí)驗(yàn)裝置2、測量方法3、樣品制備1、實(shí)驗(yàn)裝置l磁鐵l標(biāo)準(zhǔn)電阻l樣品電流電源l數(shù)字電壓表l樣品架g樣品架線圈電流輸入電壓輸出磁場輸入閘刀2、測量方法①霍爾電壓的測量l由于產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，伴隨多種副效應(yīng)，以致實(shí)測的AB間電壓不等于真實(shí)的VH值，因此必需設(shè)法消除。l根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，采用電流和磁場換向的對稱測量法基本上能把副效應(yīng)的影響從測量結(jié)果中消除。l具體的做法:I

6、s和B的大小不變，依次測量由下面四組不同方向的Is和B時(shí)的V1，V2，V3，V4，l1）+I+BVs1l2）+I-BVs2l3）-I-BVs3l4）-I+BVs4代數(shù)平均值：V?V?V?V1234霍爾電壓V?H4②霍爾效應(yīng)測量中電阻率的測量a.二探針法適合長條形或橋形樣品電阻率測量。圖3-4利用二探針法測量樣品的電阻率b.范德堡法適合樣品形狀任意、厚度均勻、無孤立孔洞的片狀樣品。3、樣品制備?第一步：晶體完整性：少缺陷；需表面清洗?第二步：樣品形狀的篩選與加工?第三步：在樣品上制作歐姆電極平行六面體樣品橋形樣品(便于制作歐姆電極)片狀樣品四、霍爾效應(yīng)測準(zhǔn)條件?光照影響?大電流注入效應(yīng)?

7、溫度?外界電磁場的影響五、霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)步驟?1．樣品的制備及安裝?2．溫度控制和測量本章作業(yè)1、什么是霍爾效應(yīng)？畫圖描述。2、怎樣利用霍爾效應(yīng)推算出半導(dǎo)體中載流子的濃度和遷移率？3、霍爾效應(yīng)測試中，如何消除由熱電、熱磁等效應(yīng)引起的測量誤差？