霍尔效应femmy.ppt

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霍尔效应femmy

霍尔效应 ——半导体参数检测实验 Edwin Hall(1855~1938) 霍尔效应是霍尔 (Hall)24岁时在美国霍普金斯大学研究生期间,研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种现象。 y x z I B Vy 金属箔片 量子霍尔效应 长时期以来,霍尔效应是在室温和中等强度磁场条件下进行实验的。1980年,德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)发现在低温条件下半导体硅的霍尔效应不是常规的那种直线,而是随着磁场强度呈跳跃性的变化,这种跳跃的阶梯大小由被整数除的基本物理常数所决定。 这在后来被称为整数量子霍尔效应。由于这个发现,克利青在1985年获得了诺贝尔物理奖。 背景介绍 分数量子霍尔效应 高纯度半导体材料 超低温环境:仅比绝对零度高十分之一摄氏度(约-273℃) 超强磁场:当于地球磁场强度100万倍 背景介绍 崔琦 Robert Laughlin Horst Stormer 构造出了分数量子霍尔系统的解析波函数 1998年的诺贝尔物理学奖 分数量子霍尔效应 实验原理 现象 —— 霍尔效应 在长方形导体薄板上通以电流,沿电流的垂直方向施加磁场,就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差,这种现象称为霍尔效应,所产生的电势差称为霍尔电压。 理论分析 磁场中运动载流子受洛伦兹力作用 电荷聚集形成电场 电场力与洛伦兹力达到平衡,形成稳定电压UH mA - B mV 二、一种载流子的霍尔效应 设:载流子的平均漂移速度为 磁感应强度为 则: (+:空穴 -:电子) y x z I B Vy 金属箔片 平衡时: |y方向的洛仑兹力|=|y方向的电场力| y x z - I B - - - - - - - - - - - - Ey N型 y x z B I + + + + + + + + Ey P型 + + + + + 三、霍尔系数 实验表明: Ey =R*jx*Bz R—霍尔系数 以n型半导体为例: 设载流子的平均漂移速度为: 磁感应强度为: 洛仑兹力: 电场力: Ey Ey=vxBz 平衡时, 又由 可得 Ey= N型: P型: Ey =R*jx*Bz 已知:x , y , z , Vx , Vy , Bz , σ 其中Ey =Vy/y jx=σ Ex = σVx/x R=(xVy)/(yVxBzσ) 若R0 N型 由 若R0 P型 由 由迁移率公式: 总结: 霍尔效应 霍尔电场 霍尔系数 半导体导电类型 载流子浓度 载流子迁移率 思考题:设计一个实验,通过实验测出半导体的载流子浓度、 迁移率及判断样品的导电类型 将此半导体样品纵向上加电场,则有此方向电流通过,在垂直于电流方向加均匀磁场,则在垂直于电流及磁场方向产生霍尔电场Ey y x z I B Vy 设半导体纵向长度为a,横向长度为b,宽度为d 则在横向上的电压Vy可测 纵向上电压Vx已知 由Ey=RjxBz 则|Vy|/b=RσExBz 即|Vy|/b=Rσ(Vx/a)Bz 其中Vy、Vx、Bz、 σ为可测 则R=(|Vy|a)/(bBz σVx)可求,同时可判断R正负 若R为负,又R=-1/(ne),可求得n,可知N型 若R为正,又R=1/(pe ),可求得p,可知P型 由μn=|Rn| σn μp=|Rp| σp,可求出迁移率 *

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