Hall效应测试仪.ppt

霍尔效应系统 用于测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数，而这些参数是了解半导体材料电学特性必须的，因此霍尔效应测试仪是理解和研究半导体器件和半导体材料电学特性必备的工具。 一、霍尔效应基本原理 1、霍尔效应 将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场B，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势VH，如下图所示，这现象称为霍尔效应。 VH称为霍尔电压。 实验表明，在磁场不太强时，电位差与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即 如下图所示，一长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁场中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为 Fm指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场EH（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力Fe，A、B面之间的电位差为VH（即霍尔电压）， 最后达稳定状态时有 若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流 I=nebdV 上面讨论的是N型半导体样品产生的霍尔效应，B侧面电位比A侧面高；对于P型半导体样品，由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴，与N型半导体的情况相反，A侧面积累正电荷，B侧面积累负电荷，此时，A侧面电位比B侧面高。由此可知，根据A、B两端电位的高低，就可以判断半导体材料的导电类型是P型还是N型。 如果霍尔元件的灵敏度已知，测得了控制电流和产生的霍尔电压，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度。 高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度B值的仪器。 将待测的厚度为d的半导体样品，放在均匀磁场中，通以控制电流I，测出霍尔电压VH，再用高斯计测出磁感应强度B值，就可测定样品的霍尔系数RH。又因RH=1/ne（或1/pe），故可以通过测定霍尔系数来确定半导体材料的载流子浓度n（或p）（n和p分别为电子浓度和空穴浓度）。 电导率σ与载流子浓度n以及迁移率 之间有如下关系 2、霍尔效应的副效应 上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多，在产生霍尔电压的同时，还伴生有四种副效应，副效应产生的电压叠加在霍尔电压上，造成系统误差。 （1）厄廷豪森（Eting hausen）效应 1887年厄廷豪森发现，由于载流子的速度不相等，它们在磁场的作用下，速度大的受到的洛仑兹力大，绕大圆轨道运动，速度小则绕小圆轨道运动，这样导致霍尔元件的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯度。因而产生温差效应，形成电势差 （2）能斯特（Nernst）效应  由图所示由于输入电流端引线a、b点处的电阻不相等，通电后发热程度不同，使a和b两端之间出现热扩散电流，在磁场的作用下，在c、e两端出现横向电场，由此产生附加电势差，记为 。其方向与 无关，只随磁场方向而变。 （3）里纪——勒杜克（Righi—Leduc）效应  由于热扩散电流的载流子的迁移率不 同，类似与厄廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度，产生附加电势差，记为 ，其方向只与磁场方向有关，与 同向。 副效应的消除 根据以上副效应产生的机理和特点，除厄廷豪森副效应 外，其余的都可利用异号测量法消除影响，因而需要分别改变 和B的方向， 测量四组不同的电势差，然后做适当数据处理，而得到 。 3、Hall效应系统 Lakeshore霍尔效应系统 可测试材料：半导体、金属、超导体；薄膜和块状材料；单晶和多晶；单载流子和多载流子。 应用:测量分析载流子分布，以评估多层材料特性，并测量多载流子的具体性能。通过测量活动载流子的密度来检查掺杂效力。检查诸如：CVD和MBE的半导体生长系统的纯度。控制半导体生产中的质量。  组成 磁铁(可达10K高斯) 高斯计 精密电流源 精密电压、电流计 控制器 软件系统 4、Hall效应系统测试步骤 开机顺序 1、打开水闸 2、打开磁铁电源 3、打开控制电源 4、打开电脑和运行软件 关机顺序： 关电脑和软件 关控制电源 关磁铁电源 关水阀 磁铁的选择 温度的选择 高低阻的选择 * * 或 称为霍尔系数 称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mA·T) 产生霍尔效应的原因是电流作定向运动，带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。 式中V为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷量。指向Y轴的负方向。 即 所以 称为霍尔系数 称为霍尔元件的灵敏