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实验5霍尔系数和电导率测量 实验目的 ⑴通过实验加深对半导体霍尔效应的理解; ⑵掌握霍尔系数和电导率的测量方法,了解测试仪器的基本原理和工作方法。 实验内容 测量样品从室温至高温本征区的霍尔系数和电阻率。要求: ⑴判断样品的导电类型; ⑵求室温杂质浓度,霍尔迁移率; ⑶查阅迁移率或霍尔因子数据,逼近求解载流子浓度和迁移率; ⑷用本征区数据,由(21)式编程计算样品材料的禁带宽度; ⑸本征导电时,。与成正比,所以,那么由或由实验曲线的斜率求出禁带宽度Eg。 ⑹对实验结果进行全面分析、讨论。 实验原理 ⑴霍尔效应 如图1所示的矩形半导体,在X方向通过一密度为jx的电流,在Z方向加一均匀磁场(磁感应强度为B),由于磁场对运动电荷(速度为)有一个洛伦兹力,在Y方向将引起电荷的积累,在稳定情况下,将形成平衡洛伦兹力的横向电场。这就是大家熟知的霍尔效应。其霍尔系数定义为 由,可以导出与载流子浓度的关系式,它们是 P型 N型 如果计及载流子速度的统计分布,关系式变为 P型 N型 同时考虑两种载流子时有 式中,q是电子电荷,,分别是电子和空穴的迁移率,是霍尔迁移率。称为霍尔因子,其值与能带结构和散射机构有关。例如非简并半导体,长声学波散射时,;电离杂质散射时,;对于高简并半导体和强磁场条件时,。 对于主要只有一种载流子的n型或p型半导体,电导率可以表示为或,这样由(4)或(5)式有 由上述关系式可见,霍尔系数和电阻率的联合测量能给出载流子浓度和霍尔迁移率,而且结合迁移率对掺杂浓度、温度的数据或霍尔因子掺杂浓度、温度的数据,可以逼近求得载流子浓度和载流子迁移率。 载流子浓度是温度的函数。室温饱和区杂质全部电离,,,其值可由给出。但是随着温度升高,进入过渡区和本征区,在这种情况下,少数载流子的影响不可忽略,霍尔系数由(6)式决定。以至单独的霍尔测量数据不能给出两种载流子浓度,必须结合高温下电导率数据、室温霍尔以及迁移率数据,才能给出n、p之值。这时 n型半导体: p型半导体: 在只计入晶格散射时,电导率为 将(9)式代入(11)式可得 n型半导体: 同理,将(10)式代入(11)式可得 p型半导体: 式中。、分别为电子、空穴的晶格散射迁移率。这样由、实验数据及查阅的迁移率数据,在b已知时,就可以求出过渡区和本征区的、了。 此外,p型样品的实验数据还能求出b值。 对于p型样品,当温度在杂质导电范围内时,导带的电子很少,,因此。温度升高后,本征激发的载流子随之产生,电子数量逐渐增加,当时,;温度再升高,则有,。所以,p型半导体当温度从杂质导电范围过渡到本征范围时,将改变符号,并出现如图2所示的极值。这样,由可得 而室温下,所以 利用这个关系式就可求得b。因此,p型半导体,由饱和区的ps及高温下的以及查阅的迁移率数据,就可由(14)、(15)式得到、。从而可以应用本征区载流子浓度积的理论公式,进而求得材料的禁带宽度Eg,即 不过,求Eg的方法还可以简化。因为进入本征区以后,电子和空穴成对地产生,所以导带中的电子浓度n等于价带中的空穴浓度p。又高温区只计及晶格散射,可忽略霍尔因子对温度的变化。这样(6)式变为 通常,在一定的温度范围内,b与温度无关。于是本征区的霍尔系数又可给出载流子浓度。因此,(18)式可以写为 于是,关系曲线的斜率将给出禁带宽度Eg。式中k为玻尔兹曼常数,C及C’则表示导带、价带有效状态密度NC、NV中与温度T无关的常数及其它与T无关的常数所构成的参数。 低温杂质电离区,、测量可得杂质电离能和低温以及杂质补偿度[2]。 ⑵霍尔电压及电阻率测量 样品及计算公式 与霍尔测量相配合的电阻率测量有两探针法和范得堡法。为了实现霍尔电压及电阻率的准确测量,常采用四个点接触电极位于周边的范德堡薄膜试样。若其测量花样具有对称性,如圆形或方形等,且四点接触电极作周边对称放置,那么计算公式会有很简单的形式。 作电阻率测量时,电极按图3(a)配置。由附录(1)证得电阻率及薄层电阻RS表示 式为 作霍尔测量时,电极按图3(b)配置。由于其严格的对称性,霍尔电极就在等电位面上(见图4)。这样B=0时,;时,测得的就是霍尔电压。由(1)式可得 式中,t为样品厚度,IX是样品X方向的电流。 范德堡结构除了上述点接触的形式以外,还有电极尺寸较大的十字形(如图5所示)。其电极虽非点接触,但通过其等效电路模拟,计算出来的能收敛到。因此十字形结构的薄层电阻率及薄层电阻,仍可用(22)、(23)式来进行计算。若该结构理想的 范德堡薄层电阻用RS(计算)表示,其测量误差就定义为。图5示出了E对十字形臂长S与宽度A之比的关系曲线。由图可见,当时,,测量精度是很高的了。 十字形结构同样也对霍尔测量有利。不仅电极简化,易于制作,而且较之非理想点接