[理学]半导体物理第7次课.ppt

半导体的磁效应之一：霍尔效应 由于载流子是带电粒子，在磁场中运动时将受到洛伦兹力 的作用，势必对载流子的运动产生影响。 霍尔效应 实验上发现如果把通电的条状半导体样品放置在磁场中，如果磁场的方向与电流方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向上有一横向电动势，而且对于P型和N半导体材料，此电动势的方向相反。这种现象称为霍耳效应，对应的电动势为霍耳电动势。 霍尔效应示意图 电场、磁场共同作用下的动态平衡 载流子在磁场力的作用下作横向运动，因此使得电荷在侧面积累。 两侧积累的的电荷形成一个附加的电场，载流子在此电场的作用下受到一个横向的力的作用，此力与磁场引起的洛伦兹力的方向相反。 磁场引起的偏转力及附加电场引起的电场力最后相互抵消达到一种动态平衡。 平衡时的横向电场称为霍耳电场，两侧的电势差称为霍尔电势。 霍尔效应的定量分析 1、霍耳系数 当霍耳电场引起的力与磁场引起的力最后达到平衡时，我们有 由此我们得到一个十分重要的公式。即霍耳电势与流过样品的电流大小及磁场强度成正比，比例系数称为霍耳系数，对电子R=-1/ne，对空穴为R=1/pe。 2、霍尔角 在无磁场时，载流子的漂移运动方向与电流方向相同或相反，但两者没有夹角(0或180）。 磁场引起附加电场，使得载流子的运动方向与外场的方向有一个夹角，此夹角称为霍耳角。 霍耳角的正切应等于霍耳电场与外场的比值，即 ，若霍尔电场较小，则 ，可见偏转角的方向与霍耳系数相同。将R代入可得 3、霍耳迁移率 由于磁场的存在，电子的漂移运动方向发生变化，因此以上公式中所用的迁移率严格来说应是磁场下的迁移率，即霍耳迁移率。 引入霍尔迁移率后，霍耳系数要进行修改， 相应的霍耳角、霍耳电势等也要进行修改。 霍尔迁移率 对简单能带结构的半导体材料，Rn与Rp不必修正。 由半导体的能带结构可以算出霍耳迁移率与一般迁移率的比值，它们为 两种载流子同时存在时的霍尔系数 在磁场作用下电子与空穴的横向运动方向是相同的，它们引起的横向电流的大小 积累在两侧的电荷产生的霍耳电场引起的电流，由它引起的横向电流为 当达到平衡时两者数值相同，即 两种载流子同时存在时的霍尔系数-cont 而有两种载流子同时存在时的电导率为 代入前面的式子，可以得到霍耳电场与磁场及电流的关系 两种载流子同时存在是的霍耳系数 其中 。 利用霍尔效应测量导电型号的局限性 一般情况下b1，对于以空穴为主的半导体，当温度较低时pn，R0，当温度较高时，r若在某一温度p=nb，则R=0，若温度再增高，则R0。因此对P型半导体而言，随温度变化霍耳系数会变号，所以测量P型半导体时应该注意。 对N型半导体，由于分子始终是负的，所以不会改变符号。 对于 的材料，不能利用霍尔效应判断导电型号。 磁阻效应 当半导体材料置于外场中时，半导体的电阻值比无磁场时的大，这种现象称为磁阻现象，即磁场引起的电阻变化现象。 磁阻现象的本质是载流子在磁场的作用下偏转使得沿外电场方向运动的载流子密度变小，这相当于电阻增加。 1）载流子轨迹呈波动状；2）载流子速度不同使得大于及小于平均速度 的载流子受力方向相反，使得沿外场方向运动的载流子数目减小。 1、轨迹变长，相当于迁移率下降 运动速度不同的影响 磁阻与磁场强度及迁移率的关系 如果mB远小于1，则电阻增加的数值与霍耳迁移率及磁场强度的平方成正比，即系数 称为磁阻系数。 不同的散射机制其对应的磁阻系数是不同的，对晶格振动散射， 而对电离杂质散射， 磁场强度较大时，电阻变化与磁场成正比。 磁敏器件 由于霍尔电场也与迁移率成正比，所以无论是利用霍尔效应还是磁阻效应作磁敏器件，载流子迁移率m越大越好。目前适合做磁阻元件的半导体材料主要有InSb、InAs、GaAs、Ge和Si等。 半导体材料Si、Ge的霍尔系数大，但迁移率小。因此，它适合于做直接利用霍尔电压的磁敏元件。III-V族化台物半导体InAs和InSb的霍尔系数虽然小，但迁移率却非常大，所以它们适合做磁阻器件。 应用范围 半导体磁敏元件，包括霍尔元件（开关型、线性），磁阻型磁敏器件。例如： 伪币检测器 磁敏电位器 磁阻式齿轮传感器 磁敏测距仪 磁敏尺 磁记录设备 左：InSb电阻与磁场的关系 右：一种磁敏电位器 半导体的热效应 热导率 单位时间内流过单位截面单位温度差的样品两端的热能量。实验发现它与样品两端的温度差成正比，即 式中k称为热导率，W为热能流密度。对