霍爾效應(yīng)及霍爾元件基本參數(shù)的測(cè)量

1、霍爾效應(yīng)及霍爾元件基本參數(shù)的測(cè)量,【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1.了解霍耳效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理以及有關(guān)霍耳器件對(duì)材料要求的知識(shí)。2.學(xué)習(xí)用對(duì)稱測(cè)量法消除副效應(yīng)的影響。3.測(cè)繪試樣的VH-IS圖線和 VH-IM 圖線，計(jì)算器件的霍爾系數(shù)RH和靈敏度KH。4.根據(jù)RH判斷試樣的導(dǎo)電類型、載流子濃度以及遷移率。,【實(shí)驗(yàn)原理】,1 ．霍爾效應(yīng) 霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在

2、固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)，即霍爾電場(chǎng) 。,霍爾電場(chǎng) 是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)載流子所受的橫向電場(chǎng)力 與洛侖茲力 相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，故有 （1） 設(shè)試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n ，則

3、 （2）,圖1 霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理示意圖（a）載流子為電子（N型）；（b）載流子為空穴（P型）,由（1）、（2）兩式可得： （3）比例系數(shù) 稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾

4、效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。只要測(cè)出 （伏）以及知道 （安）、（高斯）和 （厘米）可按下式計(jì)算 （厘米3／庫(kù)侖）： （4）,2．霍爾系數(shù)與其它參數(shù)間的關(guān)系,（２）由RH求載流子濃度n。即 。應(yīng)該指出，這個(gè)關(guān)系式是假定所

5、有載流子都具有相同的漂移速度得到的，嚴(yán)格一點(diǎn)，如果考慮載流子的速度統(tǒng)計(jì)分布，需引入 的修正因子（可參閱黃昆、謝希德著《半導(dǎo)體物理學(xué)》）。（3）結(jié)合電導(dǎo)率的測(cè)量，求載流子的遷移率 。電導(dǎo)率 與載流子濃度n以及遷移率 之間有如下關(guān)系：

6、 （5）即 ＝ ，測(cè)出 值即可求 。,3．霍爾效應(yīng)與材料性能的關(guān)系,根據(jù)上述可知，要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是要選擇霍爾系數(shù)大（即遷移率高、電阻率亦較高）的材料。因 ，就金屬導(dǎo)體而言，遷移率和電阻率均很低，而不良導(dǎo)體電阻率雖高，但遷移率極小，因而這兩種材料的霍爾系數(shù)都很小，不能用來(lái)制造霍爾器件。半導(dǎo)體遷移率高，電阻率適中，是制造霍爾元件較理想的材料，由于電子的遷移率比空

7、穴遷移率大，所于霍爾元件多采用N型材料，其次霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍爾元件的輸出電壓較片狀要高得多。,【實(shí)驗(yàn)裝置】,霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀示和測(cè)試儀意圖,TH-H型霍爾效應(yīng)組合實(shí)驗(yàn)儀由實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀兩大部分組成 。,⑴ 勵(lì)磁恒流源：輸出電流：0—10A，示值誤差為末位±1（mA）⑵ 樣品工作恒流源：輸出電流：0—10mA，示值誤差為末位±1（10µA）⑶ 直流數(shù)字毫伏表： 測(cè)量

8、范圍：±10mV示值誤差為末位±1（10µV）,然后求 、 、 和 的代數(shù)平均值。 （6） 通過(guò)上述的測(cè)量方法，雖然還不能消除所有的副效應(yīng)，但其引入的誤差不大，可以略而不計(jì)

9、。,實(shí)驗(yàn)方法,（1）霍爾電壓 的測(cè)量方法 值得注意的是，在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，因伴隨著各種副效應(yīng)，以致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的 、 兩極間的電壓并不等于真實(shí)的霍爾電壓 值，而是包含著各種副效應(yīng)所引起的附加電壓，因此必須設(shè)法消除。根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理可知，采用電流和磁場(chǎng)換向的對(duì)稱測(cè)量法，基本上能把副效應(yīng)的影響從測(cè)量結(jié)果中消除。即在規(guī)定了電流和磁場(chǎng)正、反方向后，分別測(cè)量由下列四組不同方向的 和 組合的 （

10、 、 兩點(diǎn)的電位差）即：,（2）電導(dǎo)率 和遷移率µ的測(cè)量,s,(單位,或,）,所以，遷移率µ與載流子濃度n之間的關(guān)系為：,,（8）,【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】,⒈ 實(shí)驗(yàn)中變換Is和IM的方向測(cè)出VH四個(gè)的值取平均，這樣做可以消除哪些因素引起的誤差？ 如果 +B、+Is與 - B 、- Is的數(shù)值相差較多，這主要是由哪種因素引起的？ 如果 + B 、- Is與 - B 、+ Is的數(shù)值相差較多，這主要是由哪種