半导体霍尔系数与电导率测量实验报告.docx

半导体霍尔系数与电导率测量

实验目的
1.了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识
2.测量试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率
实验原理
霍尔效应的测量是研究半导体性质的重要实验方法。利用霍尔效应，可以确定半导体的导电类型和载流子浓度。利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来研究半导体的导电机制(本征导电和杂质导电)和散射机制(晶格散射和杂质散射)，进一步确定半导体的迁移率、禁带宽度、杂质电离能等基本参数。测量霍尔系数随温度的变化，可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的特性。
霍尔效应和霍尔系数
设一块半导体的x方向上有均匀的电流流过，在z方向上加有磁场，则在这块半导体的y方向上出现一横向电势差，这种现象被称为“霍尔效应”，称为“霍尔电压”，所对应的横向电场称为“霍尔电场”。
霍尔电场强度的大小与流经样品的电流密度和磁感应强度的乘积成正比：

式中比例系数称为“霍尔系数”。
半导体样品的长、宽、厚分别为l、a、b，半导体载流子（空穴）的浓度为p，它们在电场作用下，以平均漂移速度沿x方向运动，形成电流。在垂直于电场方向上加一磁场，则运动着的载流子要受到洛仑兹力的作用该洛仑兹力指向-y方向，因此载流子向-y方向偏转，这样在样品的左侧面就积累了空穴，从而产生了一个指向+y方向的电场——霍尔电场。
当该电场对空穴的作用力q与洛仑兹力相平衡时，空穴在y方向上所受的合力为零，达到稳态。在稳态时，有：

若是均匀的，则在样品左、右两侧面间的电位差：
而x方向的电流：
由以上的式子得：

所以对p型半导体：n型半导体：

所以的计算式：

实验仪器
霍尔传感器，可调恒流源3.5A，可调恒流源10mA，电磁线圈5A
实验内容
1.测量霍尔电压VH和霍尔电流IS的关系
（1）按要求连接导线。
（2）轻轻把霍尔传感器调节到电磁场的磁隙的中间
（3）打开所有电源开关
（4）设置励磁电流到某个值
（5）慢慢的增大Is电流，记录霍尔电压VH到表中
2.测量霍尔电压VH和霍尔电流IS的关系
（1）按要求连接导线
（2）轻轻地把霍尔传感器调节到电磁场的磁隙中间
（3）打开所有电源开关
（4）设置励磁电流到某个值
（5）慢慢增大励磁电流，记录霍尔电压和磁场强度的关系
数据结果

六、结果讨论
1.测量误差来源可能是测量磁场时，特斯拉计探头未完全与磁场垂直，即测出来的磁感应强度偏小。
2.在计算拟合曲线时，根据理论公式，应采用正比例函数进行拟合。
七、霍尔效应的应用
1.测量半导体导电类型：半导体中的载流子有电子和空穴两种，根据霍尔效应原理，若某半导体材料中只存在一种载流子，那么，对P型半导体来说，侧面积累的是空穴，因此带正电；对N型半导体来说，侧面积累的是电子，因此带负电。由于P型半导体材料与磁场和电流的作用下产生的霍尔电场方向和N型半导体材料相反，即霍尔电压的符号相反，因此，可根据霍尔电压的符号判断半导体的导电类型。
2.霍尔传感器。霍尔元件、霍尔组件、霍尔集成电路等都是以霍尔效应原理为基础制成的，它们统称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。目前，有多种电学和非电学测量的霍尔传感器。
参考文献
1.高莹，半导体化纳米铝及铝合金薄膜霍尔效应的研究，北京化工大学硕士学位论文