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1、实验指导书实验名称：实验一、半导体霍尔效应学时安排：4学时实验类别：验证性实验要求： 必做一、实验目的1. 理解霍尔效应的物理意义； 2. 了解霍尔元件的实际应用； 3. 掌握判断半导体导电类型，学会测量半导体材料的霍尔系数、电导率、载流子浓度、漂移迁移率及霍尔迁移率的实验方法。二、实验原理将一块宽为2a，厚为d，长为b的半导体样品，在*方向通以均匀电流I*，Z方向上加有均匀的磁场Bz时见图1.1所示 ，则在Y方向上使产生一个电势差，这个电势差为霍尔电势差，用UH表示，这种现象就称为霍尔效应。 图1.1与霍尔电势对应的电场，叫做霍尔电场，用EY表示，其大小与电流密度J*和所加磁场强度Bz成正比
2、，可以定义如下形式： EY=RHB BZJ*1上式中，RH为比例系数，称为霍尔系数。 霍尔效应的物理意义可做如下解释：半导体中的电流是载流子电子或空穴的定向动动引起的，一人以速度 *运动的载流子，将受到沦仑兹力fB=e * BZ的作用，使载流子沿虚线方向偏转，如图 1.2 所示，并最后堆积在与 Y 轴垂直的两个面上，因而产生静电场EY，此电场对载流子的静电作用力fE=e EY,它与磁场对运动载流子的沦仑兹力fB大小相等，电荷就能无偏离地通过半导体，因而在 Y 方向上就有一个恒定的电场EY。下面以 N 型半导体为例：有 e* BZ= e EY2电流密度 XXvneJ所以 3ZXY1BJenE将3
3、式与1式比拟，可得：4enR1H上式中n为电子的浓度，e 为电子电荷量，其值为e =1.602 10-19C。同理，如果霍尔元件是P 型既载流子为空穴半导体制成的，则 RH =1/pe ，其中p为空穴的浓度。图 1.2又因由3式得： (5)ZXHZXHzxBIKBIdRdenBIUKH为霍尔元件灵敏度，单位为 V/AT所以 RH = KH d6)霍尔系数RH的单位为 m3/C米3/库仑如果霍尔元件的灵敏度 KH已经测定，就可以用式5来测量未知磁场BZ，既有：7XHHZIKUB 由图 1.2 可以看出，假设载流子带正电，则所测出的UH极性为下正上负；假设载流子带负电，则所测出的UH极性为上正下负
4、。所以，如果知道磁场方向和工作电流方向，就可以确定载流子的类型。反之，如果知道载流子的类型和工作电流方向，就可以判定磁场的方向。概据半导体物理性质可知，载流子在半导体中运动时，它将不断地得到散射，RH还必须用半导体物理理论加以适当修正，即 ( 8 )neR1 ( 9 )H1eRn式中为一个偏离 1 不大的因子，它与半导体的能带构造和散射机理有关，具体地说，对于球形等能面的非简并半导体来说：长声学波散射时晶格散射电离杂质散射时对高度简并化的半导体1我们知道，电导率或，式中 N为 N 型半导体的漂移迁移率。XXEJNen将此式与8式比拟，可得如果用 H表示RH 即10HHRN叫做霍尔迁移率所以11
5、NH通过实验测量出RH和 即可算得 H，从而也可求得 N值。对于非简并半导体球形等能面晶格散射时12HN38R实验原理接线见图 1.3，被测样品一般为短形薄片，为克制短路效应，要求长和宽之比大于2，被测样品是一块有 6 根引线电极的 N 型半导体如图 1.4 ，为了减小不等位电势的影响，电位电极 2 与 4，1 与 3 必须对正，即要求 24、13 的连线必须垂直于*方向。图 1.3图 1.4样品的宽为 2a，厚为 d，长为 b,电位电极2、1 4、3间的距离分别为L21、L43，在电流电极 6、5 间即*方向通以工作电流 I*，由数字电压表测出1、3或2、4间的霍尔电压UH和2、1 、 4、
6、3间的电位差U21、U43 。根据欧姆定律J* =E*计算出电导率 ： 1321432如果I*单位是 A，U21U43的单位是 V，长度L21L43 、宽度b和厚度d的单位均为 m，则电导率单位为 1/ 。这样，我们可以根据式7 、 13 、 6 、 12 、 10 、 9分别算出磁感应强度BZ、电导率 、霍尔系数RH、漂移迁移率 N、霍尔迁移率 H，半导体中载流子浓度n。由于样品电流电极 6、5 两端同样品的焊点处电阻不同，使得样品两端产生不同的焦耳热，因而样品两端温度不同，结果有热流过样品，使样品的温度分布存在着梯度。假设各电位电极14与样品接触处的温度具有不同值，就会在电极2、4或1、3
7、间产生温差电势。处于磁场的样品，当有温度梯度存在时，还将产生几种新的效应：爱廷豪森效应，能斯特效应和里纪杜勒克效应，它们统称为热磁效应。另外，因霍尔元件材料本身的不均匀，霍尔电极位置的不对称，即使不存在磁场，当电流I*通过样品时， 1、3 、 2、4两端也会处在不同的等位面上，因此， 1、3 、 2、4两端产生不等位电势差。为了减小测量时伴随的各种副效应消除不等位电压，取电流和磁场的方向四种不同组合，对电位电极1、3或2、4间电压进展四次测量，用UH1 ，UH2 ，UH3 ，UH4 ，分别表示+BZ，+I*组合、 +BZ，-I*组合、 - BZ，- I*组合和- BZ，+ I*组合时的测量结果
8、，最后取UH= 1441(4)(3)(2)(1)HHHHUUUU三、实验设备本实验采用 HL6A 霍尔效应实验仪。该仪器由两局部组成。第一部份为实验仪：由电磁铁、霍尔元件、四个换向开关组成；第二部份为测试仪：有两路直流稳流源可分别为电磁铁提供 1000mA 的稳定电流，为霍尔元件提供 10.0mA 的稳定电流，200mV 高精度数字电压表用来测量霍尔电压。实验接线图如图 5。四、实验容和步骤1.判断半导体无件的导电类型1)按图 1.5 连接好电路，将霍尔元件移动到电磁铁气隙中。2)合上K1，调节励磁电流为 600mA，根据励磁电流的方向确定电磁铁中磁场方向。3)合上K2，调节霍尔元件的工作电流
9、为 5mA，并确定霍尔元件工作电流 6、5 的极性。4)合上K3或K4，用 200mV 数字电压表测出霍尔电压，并确定1、3或2、4霍尔元件极性，根据图 1.2 判断出半导体元件的导电类型。2.测量电磁铁的磁感应强度保持励磁电流 600mA 不变，调节工作电流I*至 10.0mA，移动标尺使霍尔元件在电磁铁空中部，K3或K4向上合，用 200mV 数字电压表测出霍尔电压UH1 ，按顺序将BZ、I*换向，测出相应的UH2 、UH3和UH4值，最后取UH= |UH1| + | UH2| + | UH3| + | UH4| / 4。由给出的霍尔灵敏度KH和公式BZ=UH/KHI* ，计算出BZ值。
10、假设霍尔电压输出显示未超量程时，可将工作电流或励磁电流调小 。3.测量磁感应强度BZ沿*方向的分布情况上述励磁电流和工作电流不变，移动标尺，测出霍尔元件沿水平方向上各点的霍尔电压UH，计算出相应的磁感应强度BZ，作BZ*关系的分布曲线。4.研究工作电流I*与霍尔电压UH的关系保持电磁铁的励磁电流为一定值不变，霍尔元件置于电磁铁的气隙中部，将霍尔元件的工作电流依次调节为 1.0mA,2.0mA,3.0mA,，10.0mA,测量相应的霍尔电压UH。以横坐标为工作电流I*，纵坐标为霍尔电压UH，绘出I*UH的关系曲线。图 1.55.研究励磁电流IB与磁感应强度BZ的关系保持霍尔元件的工作电流I*为
11、5mA，霍尔元件置于电磁铁气隙中部，将电磁铁的励磁电流IB依次调节器为 100mA,200mA,300mA,，600mA，测出相应的霍尔电压UH值，再计算出相应的BZ值。以IB为横坐标，BZ为纵坐标，作IBBZ曲线，并对曲线进展说明。6.合上K2，调节工作电流为 1.00mA，断开K1，将霍尔元件2、1 、 4、3两端分别接入数字电压表，测出电压U21、U43，根据公式13算出电导率 。 假设U21或U43超过200 mV，应减小工作电流I* 。7.测定霍尔系数RH、载流子浓度 n、漂移迁移率 N霍尔迁移率 H。根据公式6 、 9 、 10 、 12可分别计算出霍尔系数RH、载流子浓 n、漂移
12、迁移率N，霍尔迁移率 H。五、考前须知和要求1 霍尔元件是易损元件，必须防止受压、挤、扭、碰撞等现象，以免损坏元件而无法使用。2 实验前应检查电磁铁和霍尔元件二维移动尺是否松动，紧固后使用。3 电磁铁励磁线圈通电时间不宜过长，否则线圈发热，影响测量结果。4 仪器不宜在强光照射下、高温或有腐蚀性气体场合中使用，不宜在强磁场中存放。5 励磁电流换向时必须先关闭电源。六、作业及预习要求1. 根据实验过程中测量的数据，进展数据处理，并计算出霍尔系数RH、载流子浓度n、漂移迁移率N，霍尔迁移率H、电导率。2. 预习高频光电导法测少子寿命的根本原理七、参考书目恩科等。半导体物理学国防工业鄢恩平等。 大学物理第二版科技
