微电子学综合实验指导书(实验1).doc

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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X方向通以均匀电流IX，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JX和所加磁

2、场强度Bz成正比，可以定义如下形式：EY=RH·BZ·JX（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υx运动的载流子，将受到沦仑兹力fB=eυxBZ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=eEY,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eυxBZ=eEY（2）电流密度所以（3）将（3

3、）式与（1）式比较，可得：（4）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)KH为霍尔元件灵敏度，单位为V/（A·T）所以RH=KH·d（6)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：（7）由图1.2可以看出，若载流子带正电，则所测出的UH极性为下正上负；若载流子带负电，则所测出的UH极性为上正下负。所以，如果知道磁场方向和工作电流

4、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)(9)式中为一个偏离1不大的因子，它与半导体的能带结构和散射机理有关，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我们知道，电导率或，式中μN为N型半导体的漂移迁移率。将此式与（8）式比较，可得如果用μH表示RH·σ即（10）μN叫做霍尔迁移率所以（11）通过实验测量出RH和σ即可算得μH，从而也可

5、求得μN值。对于非简并半导体（球形等能面）晶格散射时（12）实验原理接线见图1.3，被测样品一般为短形薄片，为克服短路效应，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2—4、1—3的连线必须垂直于X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X方向）通以工作电流IX，由数字电压表测出（1、3）或（2、4）间的霍尔电压UH和（2、1）、（4、3）间的电位差U21、U43。根据欧姆

6、定律JX=σ﹒EX计算出电导率σ：（13）如果IX单位是A，U21（U43）的单位是V，长度L21（L43）、宽度b和厚度d的单位均为m，则电导率单位为1/（Ω）。..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σ、霍尔系数RH、漂移迁移率μN、霍尔迁移率μH，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。若各电位电极（1~4）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IX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）间电压进行四次测量，用UH（1），UH（2），UH（3），UH（4），分别表示（+BZ，+IX）组合、（+BZ，