霍尔效应测量

第三章霍尔效应测量测量方法简介霍尔效应（Halleffect）是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象，故称霍尔效应。后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于半导体的霍尔效应显著而得到实用和发展，现在成为半导体材料电学参数测量的重要手段；被越来越多地用来确定半导体材料的导电类型、载流子浓度以及禁带宽度等参数。一、霍尔效应原理1、霍尔效应本质运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。如果在与电流垂直的方向加有磁场，样品中就会引起一个横向的电势差，这个电势差方向与电流和磁场方向垂直，这种现象就成为霍尔效应。外加电流jx由电磁场感生的霍尔电场Ey外加磁场Bz2、霍尔效应中主要参数表达式(⑴)霍尔电场Ey(⑵)霍尔系数R对于n型半导体，np对于p型半导体，pn其中,γ是霍尔因子——表征载流子在半导体材料体内的碰撞，其大小与温度和杂质浓度有关（图3－2），一般取1.xzyjRBE(3-15)222)(pnppnnpnqpnR(3-16)nqRnnpqRpp(3-17)(3-18)(3)霍尔电压（霍尔电势差）UHsyHwEUws为样品的宽度长度l厚度ts宽度wsIxBz霍尔电场二、利用霍尔效应测量半导体电学参数1、判断半导体的导电类型2、确定样品的霍尔系数R3、由霍尔系数进一步确定样品的载流子浓度4、由霍尔系数和电导率进一步确定样品的迁移率1、判断半导体的导电类型左手定则:伸开左手让磁感线穿入手心,四指指向电流方向（正电荷运动的方向）,那么拇指的方向就是导体受洛伦兹力的方向。须注意，运动电荷是正的，大拇指的指向即为洛伦兹力的方向。反之，如果运动电荷是负的，那么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。电流I洛伦兹受力方向F2、确定样品的霍尔系数RxzyjRBEsHywUE)/()/(/3库仑米xzsHssxzsHxzyIBtUtwIBwUjBER长度l厚度ts宽度wsIxBz霍尔电场3、由霍尔系数进一步确定样品的载流子浓度对于n型半导体，np，根据其霍尔系数表达式对于p型半导体，pn，根据其霍尔系数表达式nqRnnpqRppqRnnnqRpppl根据霍尔系数确定载流子浓度，其准确性受到霍尔因子的影响。4、由霍尔系数进一步确定样品的迁移率对于n型半导体，根据其电阻率/电导率的表达式令称为霍尔迁移率，是样品电导率和霍尔系数的乘积。因此公式(3-19)还可写成：nnqnnnRqRnnnnHnHHR,(3-19)(3-20)对于p型半导体，同理有：pppRl说明•根据霍尔效应确定载流子浓度，需要分别测量出样品的霍尔系数和电导率。•电导率的测量可以采用二探针法和范德堡法(p.82)。pHp三、霍尔效应实验装置和测试方法1、实验装置2、测量方法3、样品制备1、实验装置l磁铁l标准电阻l样品电流电源l数字电压表l样品架g电流输入电压输出磁场输入样品架线圈闸刀2、测量方法l由于产生霍尔效应的同时，伴随多种副效应，以致实测的AB间电压不等于真实的VH值，因此必需设法消除。l根据副效应产生的机理，采用电流和磁场换向的对称测量法基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。l具体的做法:Is和B的大小不变，依次测量由下面四组不同方向的Is和B时的V1，V2，V3，V4，l1）+Is+BV1l2）+Is-BV2l3）-Is-BV3l4）-Is+BV4代数平均值：44321VVVVVH霍尔电压①霍尔电压的测量图3-4利用二探针法测量样品的电阻率a.二探针法适合长条形或桥形样品电阻率测量。②霍尔效应测量中电阻率的测量b.范德堡法适合样品形状任意、厚度均匀、无孤立孔洞的片状样品。3、样品制备•第一步：晶体完整性：少缺陷；需表面清洗•第二步：样品形状的筛选与加工•第三步：在样品上制作欧姆电极平行六面体样品桥形样品(便于制作欧姆电极)片状样品•光照影响•大电流注入效应•温度•外界电磁场的影响四、霍尔效应测准条件•1． 样品的制备及安装•2． 温度控制和测量五、霍尔效应实验步骤本章作业1、什么是霍尔效应？画图描述。2、怎样利用霍尔效应推算出半导体中载流子的浓度和迁移率？3、霍尔效应测试中，如何消除由热电、热磁等效应引起的测量误差？