半导体变温霍尔效应实验.docx
《半导体变温霍尔效应实验.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体变温霍尔效应实验.docx(13页珍藏版)》请在第一文库网上搜索。
1、变温霍尔效应实验一、实验目的1 .了解半导体中霍尔效应的产生原理,霍尔系数表达式的推导及其副效应的产生和消除;2 .掌握霍尔系数和电导率的测量方法、样品导电类型的判别方法、半导体材料的霍尔系数、电导率、载流子浓度和霍尔迁移率的计算方法;3 .掌握动态法测量霍尔系数及电导率随温度的变化;4 .了解霍尔器件的应用,理解半导体的导电机制;5,掌握实验数据处理方法,并能利用Origin绘图软件对实验数据进行处理和分析。二、实验原理霍尔效应原理1 .半导体中的载流子根据半导体导电理论,半导体内载流子的产生有两种不同的机构:本征激发和杂质电离。(1)本征激发半导体材料内共价键上的电子有可能受热激发后跃迁到
2、导带上,在原共价键上却留下一个电子缺位一空穴,这个空穴很容易受到邻键上的电子跳过来填补而转移到邻键上。因此,半导体内存在参与导电的两种载流子:电子和空穴。这种不受外来杂质的影响由半导体本身靠热激发产生电子一空穴的过程,称为本征激发。显然,导带上每产生一个电子,价带上必然留下一个空穴。因此,由本征激发的电子浓度n和空穴浓度p应相等,并统称为本征浓度ni,由经典的玻尔兹曼统计可得ni=n=p=(NcNv)l/2exp-Eg/(2KBT)=KT3/2exp-Eg/(2KBT)式中Nc,Nv分别为导带、价带有效状态密度,K为常数,T为温度,Eg为禁带宽度,K为玻尔兹曼常数。(2)杂质电离在纯净的第iv
3、族元素半导体材料中,掺入微量in或v族元素杂质,称为半导体掺杂。掺杂后的半导体在室温下的导电性能主要由浅杂质决定。如果在硅材料中掺入微量hi族元素(如硼或铝等),这些第in族原子在晶体中取代部分硅原子组成共价键时,从邻近硅原子价键上夺取一个电子成为负离子,而在邻近失去一个电子的硅原子价键上产生一个空穴。这样满带中电子就激发到禁带中的杂质能级上,使硼原子电离成硼离子,而在满带中留下空穴参与导电,这种过程称为杂质电离。产生一个空穴所需的能量称为杂质电离能。这样的杂质叫做受主杂质,由受主杂质电离而提供空穴导电为主的半导体材料称为p型半导体。当温度较高时,浅受主杂质几乎完全电离,这时价带中的空穴浓度接
4、近受主杂质浓度。同理,在iv族元素半导体(如硅、错等)中,掺入微量v族元素,例如磷、碑等,那么杂质原子与硅原子形成共价键时,多余的一个价电子只受到磷离子P+的微弱束缚,在室温下这个电子可以脱离束缚使磷原子成为正离子,她向半导体提供一个自由电子。通常把这种向半导体提供一个自由电子而本身成为正离子的杂质称为施主杂质,以施主杂质电离提供电子导电为主的半导体材料叫做n型半导体。2 .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IX流过,在z方向上加有磁场Bz,则在这块半导体的y方向上出现一横向电势差UH,这种现象被称为“霍尔效应”,UH称为“霍尔电压”,所对应的横向电场EH称为“霍尔电场见图l
5、oBz图1实验指出,霍尔电场强度EH的大小与流经样品的电流密度Jx和磁感应强度Bz的乘积成正比,EH=RH-Jx-Bz(1)式中比例系数RII称为“霍尔系数下面以p型半导体样品为例,讨论霍尔效应的产生原理并推导、分析霍尔系数的表达式。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Ex作用下,以平均漂移速度vx沿x方向运动,形成电流Ixo在垂直于电场Ex方向上加一磁场Bz,则运动着的载流子要受到洛仑兹力的作用F=qXB(2)式中q为空穴电荷电量。该洛仑兹力指向一y方向,因此载流子向一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方向的电场一
6、一霍尔电场Eyo当该电场对空穴的作用力qEy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。稳态时电流仍沿x方向不变,但合成电场E=Ex+Ey不再沿x方向,E与x轴的夹角称“霍尔角”。在稳态时,qEy=qvxBz若Ey是均匀的,则在样品左、右两侧面间的电位差UH=Ey a = v x Bz a(4)而x方向的电流Ix= qpevxeab(5)将(5)式的vx代入(4)式得霍尔电压1IxBzqpb(6)由(1)、(3)、(5)式得霍尔系数(7)式中b = un/up,up为电子和空穴的迁移率。从霍尔系数Rh=qp对于n型样品,载流广(电广)浓度为n,霍尔系数为Rh=qn上述模型过于简
7、单。根据半导体输运理论,考虑到载流子速度的统计分布以及载流子在运动中受到散射等因素,在霍尔系数的表达式中还应引入一个霍尔因子A,贝I(7)、(8)式应修正为15p型:qplARH(9)n型:qnARH1(1O)A的大小与散射机理及能带结构有关。由理论算得,在弱磁场条件下,对球形等能面的非简并半导体,在较高温度(此时,晶格散射起主要作用)情况下18.183A一般地,Si、GE等常用半导体在室温下属于此种情况,A取为1.18。在较低温度(此时,电离杂质散射起主要作用)情况下,93.1512315A对于高载流子浓度的简并半导体以及强磁场条件,A=l;对于晶格和电离杂质混合散射情况,一般取文献报道的实
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半导体 霍尔 效应 实验