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实验四霍尔效应法测量半导体的载流子浓度、电导率和迁移
一、实验目的
1.了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。
2.学习用“对称测量法”消除副效应的影响,测量并绘制试样的VH-IS和VH-IM
曲
线。
3.确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
二、实验原理
置于磁场中的半导体,如果电流方向与磁场垂直,则在垂直于电流和磁场的
方向会产生一附加的横向电场,这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879
年发现的,后被称为霍尔效应。随着半导体物理学的迅速发展,霍尔系数和
电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。通过实验测量半导体
材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁
移率等主要参数。若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系,还可以求
出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。如今,霍尔效应不但是测定
半导体材料电学参数的主要手段,而且随着电子技术的发展,利用该效应制
成的霍尔器件,由于结构简单、频率响应宽(高达10GHz)、寿命长、可靠
性高等优点,已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。在工业
生产要求自动检测和控制的今天,作为敏感元件之一的霍尔器件,将有更广
阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验,对日后的工作将有益处。
霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的
偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在
垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横向电场,
即霍尔电场。对于图(1)(a)所示的N型半导体试样,若在X方向的电极
D、E上通以电流Is,在Z方向加磁场B,试样中载流子(电子)将受洛仑
兹力:
(1)
其中e为载流子(电子)电量,为载流子在电流方向上的平均定向漂移速
率,B为磁感应强度。
(a)(b)
图(1)样品示意图
无论载流子是正电荷还是负电荷,Fg的方向均沿Y方向,在此力的作用下,
载流子发生便移,则在Y方向即试样A、A´电极两侧就开始聚积异号电荷而
在试样A、A´两侧产生一个电位差VH,形成相应的附加电场E—霍尔电场,
相应的电压VH称为霍尔电压,电极A、A´称为霍尔电极。电场的指向取决
于试样的导电类型。N型半导体的多数载流子为电子,P型半导体的多数载
流子为空穴。对N型试样,霍尔电场逆Y方向,P型试样则沿Y方向,有
显然,该电场是阻止载流子继续向侧面偏移,试样中载流子将受一个与Fg
方向相反的横向电场力:
FE=eEH(2)
其中EH为霍尔电场强度。
FE随电荷积累增多而增大,当达到稳恒状态时,两个力平衡,即载流子所受
的横向电场力eEH与洛仑兹力相等,样品两侧电荷的积累就达到平衡,
故有
(3)
设试样的宽度为b,厚度为d,载流子浓度为n,则电流强度Is与的关系
为
(4)
由(3)、(4)两式可得
(5)
即霍尔电压VH(A、A´电极之间的电压)与IsB乘积成正比与试样厚度d
成反比。比例系数称为霍尔系数,它是反映材料霍尔效应强弱的重
要参数。根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。由式(5)可见,只要测
出VH(伏)以及知道Is(安)、B(高斯)和d(厘米)可按下式计算RH
(厘米3/库仑)。
(6)
上式中的108是由于磁感应强度B用电磁单位(高斯)而其它各量均采用C、
G、S实用单
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