载流子浓度参考资料霍尔系数法.docx

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载流子浓度参考资料霍尔系数法

霍尔系数和电阻率的测量

把通有电流的半导体置于磁场中，若是电流方向与磁场垂直，那么在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，那个现象称为霍尔效应。

随着半导体物理学的进展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的要紧方式之一。

通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率能够判定材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等要紧参数。

假设能测量霍尔系数和电导率随温度转变的关系，还能够求出材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。

一、实验目的

1.了解霍尔效应实验原理和有关霍尔元件对材料要求的知识；

2.学习用“对称测量法”排除副效应的阻碍，测量并绘制试样的VH-IS和VH-IM曲线；

3.确信试样的导电类型、载流子浓度和迁移率。

二、实验原理

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引发的偏转。

当带电粒子（电子和空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就致使在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的积存，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。

关于图（a）所示的N型半导体试样，假设在X方向的电极D、E上通以电流IS，在Z方向加磁场B，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力：

（）

其中，e为载流子（电子）电量，

为载流子在电流方向上的平均定向漂移速度，B为磁感应强度。

不管载流子是正电荷仍是负电荷，Fg的方向均沿Y方向，在此力的作用下，载流子发生偏移，那么在Y方向即试样A、A’电极双侧就开始聚集异号电荷，在A、A’双侧产生一个电位差VH，形成相应的附加电场EH——霍尔电场，相应的电压VH称为霍尔电压，电极A、A’称为霍尔电极。

电场的指向取决于试样的导电类型。

N型半导体的多数载流子为电子，P型半导体的多数载流子为空穴。

对N型试样，霍尔电场逆Y方向，P型试样那么沿Y方向，有

IS（X）、B（Z）EH（Y）<0（N型）

EH（Y）>0（P型）

显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移。

试样中载流子将受一个与Fg方向相反的横向电场力：

其中，EH为霍尔电导强度。

FE随电荷积存增多而增大，当达到稳固状态时，两个力平稳，即载流子所受的横向电场力FE与洛仑兹力Fg相等，样品双侧电荷的积存就达到平稳，故有

设试样的宽度为b，厚度为d，载流子浓度为n，那么电流强度IS与

的关系为

由式、可得

即霍尔电压VH（A、A’电极之间的电压）与ISB乘积成正比，与试样厚度d成反比。

比例系数RH=1/ne称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。

依照霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。

由式可见，只要测出VH（伏），和明白IS（安）、B（高斯）和d（厘米），可按下式计算RH（厘米3/库仑）：

上式中的108是由于磁感应强度B用电磁单位（高斯）而其它各量均采纳C、G、S有效单位引入。

注：

磁感应强度B的大小与励磁电流IM的关系由制造厂家给定，并标明在实验仪上。

霍尔元件确实是利用上述霍尔效应制成的电磁转换元件。

关于成品的霍尔元件，其RH和d已知，因此在实际应用中，式常以如下形式显现：

其中，比例系数KH=RH/d=1/ned称为霍尔元件灵敏度（其值由制造厂家给出），它表示该器件在单位工作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压。

IS称为操纵电流。

式中的单位取IS为mA、B为KGS、VH为mV，那么KH的单位为mV/（mA·KGS）。

KH越大，霍尔电压VH越大，霍尔效应越明显。

从应用上讲，KH愈大愈好。

KH与载流子浓度n成反比，半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，因此用半导体材料制成的霍尔元件，霍尔效应明显，灵敏度高，这也是一样霍尔元件不用金属导体而用半导体制成的缘故。

另外，KH还与d成反比，因此霍尔元件一样都很薄。

本实验所用的霍尔元件确实是用N型半导体硅单晶切薄片制成的。

由于霍尔效应的成立所需时刻很短（约10-12—10-14s），因此利用霍尔元件时用直流电或交流电都可。

只是利用交流电时，所得的霍尔电压也是交变的，现在，式中的IS和VH应明白得为有效值。

依照RH可进一步确信以下参数。

1.由RH的符号（或霍尔电压的正、负）判定试样的导电类型

判定的方式是按图所示的IS和B的方向，假设测得的VH=VAA’<0，（即点A的电位低于点A’的电位）那么RH为负，样品属N型，反之那么为P型。

2.由RH求载流子浓度n

由比例系数RH=1/ne得，n=1/|RH|e。

应该指出，那个关系式是假定所有的载流子都具有相同的漂移速度取得的，严格一点，考虑载流子的漂移速度服从统计散布规律，需引入3π/8的修正因子（可参阅黄昆、谢希德著半导体物理学）。

但阻碍不大，本实验中能够忽略此因素。

3.结合电导率的测量，求载流子的迁移率μ

电导率σ与载流子浓度n和迁移率μ之间有如下关系：

由比例系数RH=1/ne得，μ=|RH|σ，通过实验测出σ值即可求出μ。

依照上述可知，要取得大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率μ高、电阻率ρ亦较高）的材料。

因|RH|=μρ，就金属导体而言，μ和ρ均很低，而不良导体ρ虽高，但μ极小，因此上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件。

半导体μ高，ρ适中，是制造霍尔器件较理想的材料。

由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，因此霍尔器件都采纳N型材料，第二霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔器件的输出电压较片状要高得多。

就霍尔元件而言，其厚度是必然的，因此事实上采纳来表示霍尔元件的灵敏度，KH称为霍尔元件灵敏度，单位为mV/（mAT）或mV/（mAKGS）。

三、实验仪器

1.TH—H型霍尔效应实验仪，要紧由规格为>2500GS/A电磁铁、N型半导体硅单晶切薄片式样、样品架、IS和IM换向开关、VH和Vσ（即VAC）测量选择开关组成。

2.TH—H型霍尔效应测试仪，要紧由样品工作电流源、励磁电流源和直流数字豪伏表组成。

四、实验方式

1.霍尔电压VH的测量

应该说明，在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的A、A’两电极之间的电压并非等于真实的VH值，而是包括着各类副效应引发的附加电压，因此必需设法排除。

依照副效应产生的机理（参阅附录）可知，采纳电流和磁场换向的对称测量法，大体上能够把副效应的阻碍从测量的结果中排除，具体的做法是IS和B（即IM

）的大小不变，并在设定电流和磁场的正、反方向后，依次测量由以下四组不同方向的IS和B组合的A、A’两点之间的电压V1、V2、V3和V4，即

+IS+BV1

+IS-BV2

-IS-BV3

-IS+BV4

然后求上述四组数据V1、V2、V3和V4的代数平均值，可得

通过对称测量求得的VH，尽管还存在个别无法排除的副效应，但其引入的误差甚小，能够略而不计。

2．电导率σ的测量

σ能够通过图所示的A、C（或A’、C’）电极进行测量，设A、C间的距离为l，样品的横截面积为S=bd，流经样品的电流为IS，在零磁场下，测得A、C（A’、C’）间的电位差为Vσ（VAC），可由下式求得σ

3.载流子迁移率μ的测量

电导率σ与载流子浓度n和迁移率μ之间有如下关系：

由比例系数RH=1/ne得，μ=|RH|σ。

五、实验内容

认真阅读本实验仪利用说明书后，按图连接测试仪和实验仪之间相应的IS、VH和IM各组连线，IS及IM换向开关投向上方，说明IS及IM均为正值（即IS沿X方向，B沿Z方向），反之为负值。

VH、Vσ切换开关投向上方测VH，投向下方测Vσ。

经教师检查后方可开启测试仪的电源。

注意：

图中虚线所示的部份线路即样品各电极及线包引线与对应的双刀开关之间连线已由制造厂家连接好。

必需强调指出：

严禁将测试仪的励磁电源“IM输出”误接到实验仪的“IS输入”或“VH、Vσ输出”处，不然一旦通电，霍尔元件即遭损坏！

为了准确测量，应先对测试仪进行调零，即将测试仪的“IS调剂”和“IM调剂”旋钮均置零位，待开机数分钟后假设VH显示不为零，可通过面板左下方小孔的“调零”电位器实现调零，即“”。

转到霍尔元件探杆支架的旋钮X、Y，慢慢将霍尔元件移到螺线管的中心位置。

1.测绘VH-IS曲线

将实验仪的“VH、Vσ”切换开关投向VH侧，测试仪的“功能切换”置VH。

维持IM值不变（取IM=），测绘VH-IS曲线，记入表中，并求斜率，代入式（）求霍尔系数RH，代入式（）求霍尔元件灵敏度KH。

表IM=IS取值：

、+B

+IS、-B

-IS、-B

-IS、+B

2.测绘VH-IM曲线

实验仪及测试仪各开关位置同上。

维持IS不变（取IS=），测绘VH-IM曲线，记入表中。

表IS=IM取值：

、+B

+IS、-B

-IS、-B

-IS、+B

3.测量Vσ值

将“VH、Vσ”切换开关投向Vσ侧，测试仪的“功能切换”置Vσ。

在零磁场下，取IS=，测量Vσ。

注意：

IS取值不要过大，以避免Vσ太大，毫伏表超量程（现在首位数码显示为1，后三位数码熄灭）。

4.确信样品的导电类型

将实验仪三组双刀开关均投向上方，即IS沿X方向，B沿Z方向，毫伏表测量电压为

VAA’。

取IS=2mA，IM=，测量VH大小及极性，判定样品导电类型。

5.记录实验仪器的磁场强度，求样品的RH、n、σ和μ值。

六、预习试探题

1.列出计算霍尔系数RH、载流子浓度n、电导率σ及迁移率μ的计算公式，并注明单位。

2.如已知霍尔样品的工作电流IS及磁感应强度B的方向，如何判定样品的导电类型。

3.在什么样的条件下会产生霍尔电压，它的方向与哪些因素有关？

4.实验中在产生霍效应的同时，还会产生哪些副效应，它们与磁感应强度B和电流IS有什么关系，如何排除副效应的阻碍？

附录

实验中霍尔元件的副效应及其排除方式

（1）不等势电压降VO

如下图，由于元件的测量霍尔电压的A、A’两电极不可能绝对对称地焊在霍尔片的双侧，位置不在一个理想的等势面上，因此，即便不加磁场，只要的电流IS通过，就有电压VO=ISr产生，其中r为A、A’所在的两个等势面之间的电阻，结果在测量VH时，就叠加了VO，使得VH值偏大（VO与VH同号）或偏小（当VO与VH异号）。

由于目前产生工艺水平较高，不等势电压很小，像本实验用的霍尔元件试样N型半导体硅单晶切薄片只有几百微伏左右，故一样能够忽略不计，也能够用一支电位器加以平稳。

在本实验中，VH的符号取决于IS和B二者的方向，而VO只与IS的方向有关，而与磁感应强度B的方向无关，因此VO能够通过改变IS的方向予以排除。

（2）热电效应引发的附加电压VE

如下图，由于事实上载流子迁移速度

服从统计散布规律，组成电流的载流子速度不同，假设速度为v的载流子所受的洛仑兹力与霍尔电场的作使劲恰好抵消，那么速度小于v的载流子受到的洛仑兹力小于霍尔电场的作使劲，将向霍尔电场作使劲方向偏转；速度大于v的载流子受到的洛仑兹力大于霍尔电场的作使劲，将向洛仑兹力方向偏转。

如此使得一侧高速载流子较多，相当于温度较高，另一侧低速载流子较多，相当于温度较低，从而在Y方向引发温差TA-TA’，由此产生的热电效应，在A、A’电极上引入附加温差VE，这种现象称为爱延好森效应。

这种效应的成立需要必然的时刻，若是采纳直流电那么由于爱延好森效应的存在而给霍尔电压的测量带来误差；若是采纳交流电，那么由于交流转变快使得爱延好森效应来不及成立，能够减小测量误差，因此在实际应用霍尔元件片时，一样都采纳交流电。

由于VE∝ISB，其符号与IS和B的方向的关系跟VH是相同的，因此不能用改变IS和B方向的方式予以排除，但其引入的误差很小，能够忽略。

（3）热磁效应直接引发的附加电压VN

如下图，因器件两头电流引线的接触电阻不等，通电后在接点两处将产生不同的焦耳热，致使在X方向有温度梯度，引发载流子沿梯度方向扩散而产生扩散电流，热流Q在Z方向磁场作用下，类似于霍尔效应在Y方向上产生一附加电场

，相应的电压VN∝QB，而VN的符号只与B的方向有关，与IS的方向无关，因此可通过改变B的方向予以排除。

（4）热磁效应产生的温差引发的附加电压VRL

如下图，（3）节中所述的X方向热扩散电流，因载流子的速度统计散布，在Z的方向的磁场B作用下，和

（2）节中所述的同一道理将在Y方向产生温度梯度TA-TA’，由此引入的附加电压VRL∝QB，VRL的符号只与B的方向有关，亦能排除。

综上所述，实验中测得的A、A’之间的电压除VH外还包括VO、VN、VRL和VE各电压的代数和，其中VO、VN和VRL均通过IS和B换向对称测量予以排除。

具体方式是在规定了电流和磁场正、反方向后，别离测量由以下四组不同方向的IS和B的组合A、A’之间的电压。

设IS和B的方向均为正向时，测得A、A’之间的电压记为V1，即：

当+IS、+B时，V1=VH+VO+VN+VRL+VE

将B换向，而IS的方向不变，测得的电压记为V2，现在VH、VN、VRL、VE均改号而VO符号不变，即

当+IS、-B时，V2=-VH+VO-VN-VRL-VE

同理，依照上述分析

当-IS、-B时，V3=VH-VO-VN-VRL+VE

当-IS、+B时，V4=-VH-VO+VN+VRL-VE

求以上四组数据V1、V2、V3和V4的代数平均值，可得

由于VE符号与IS和B二者方向关系和VH是相同的，故无法排除，但在非大电流，非强磁场下，VH>>VE，因此VE可略而不计，因此霍尔电压为：

TH—H型霍尔效应实验组合仪利用说明书

霍尔效应发觉于1879年，随着电子技术的进展，利用霍尔效应制成的电子器件（霍尔元件），由于结构简单，频率响应宽（高达10GHz），寿命长，靠得住性高等优势，已普遍用于非电量测量、自动化操纵和信息处置等方面。

霍尔效应实验既结合教学内容又富有有效性，是一个能深化课堂教学、培育学生实验技术和启发学生制造思维和应用假想的典型实验。

TH—H型霍尔效应实验组合仪可测定霍尔系数和载流子浓度，另外，结合电导率测量可确信试样的载流子迁移率。

TH—H型霍尔效应实验组合仪设计合理，性能稳固，各项技术指标完全符合实验要求。

另外，其测试单元还具有多用功能，如用于电阻—温度实验，也可单独作为直流恒流源或直流数字毫伏表利用。

一、实验装置简介

TH—H霍尔效应实验组合仪由实验仪和测试仪两大部份组成。

A.实验仪（如下图）

1.电磁铁

规格为>A，磁铁线包的引线有星标者为头（见实验仪上图示），线包绕向为顺时针（操作者面对实验仪），依照线包绕向及励磁电流IM流向，可确信磁感应强度B的方向，而B的大小与励磁电流IM的关系由制造厂家给定并标明在实验仪上。

2.样品和样品架

样品材料为N型半导体硅单晶片，依照空脚的位置不同，样品分两种形式，即图的（a）和（b），样品的几何尺寸为：

厚度d=，宽度b=，A、C电极间距l=。

样品共有三对电极，其中A、A’或C、C’用于测量霍尔电压VH，A、C或A’、C’用于测量电导；D、E为样品工作电流电极。

各电极与双刀换接开关的接线见实验仪上图示说明。

样品架具有X、Y调剂功能及读数装置，样品放置的方位（操作者面对实验仪）如实验指导书图所示。

3.IS和IM换向开关及VH和Vσ测量选择开关

IS和IM换向开关投向上方，那么IS及IM均为正值，反之为负值；VH和Vσ测量选择开关投向上方测VH，投向下方测Vσ。

B、测试仪（如下图）

1.“IS输出”为0~10mA样品工作电流源，“IM输出”为0~1A励磁电流源。

两组电流源彼此独立，两路输出电流大小通过IS调剂旋钮及IM调剂旋钮进行调剂，二者均持续可调。

其值可通过“测量选择”按键由同一只数字电流表进行测量，按键测IM，放键测IS。

2.直流数字电压表

VH和Vσ通过功能切换开关由同一只数字电压表进行测量。

电压表零位可通过调零电位器进行调整。

当显示器的数字前显现“—”号时，表示被测电压极性为负值。

二、技术指标

1.励磁电流源IM

输出电流：

0~1A，持续可调，调剂精度可达1mA。

最大输出负载电压：

25V。

电流稳固度：

优于10-3（交流输入电压转变±10%）。

电流温度系数：

<10-3℃。

负载稳固度：

优于10-3（负载由额定值变成零）。

电流指示：

3½位发光管数字显示，精度不低于%。

2.样品工作电流源IS

输出电流：

0~10mA，持续可调，调剂精度可达10μA。

最大输出负载电压：

12V。

电流稳固度：

优于10-3（交流输入电压转变±10%）。

电流温度系数：

<10-3℃。

负载稳固度：

优于10-3（负载由额定值变成零）。

电流指示：

3½位发光管数字显示，精度不低于%。

3.直流数字毫伏表

测量范围：

±20mV；±200mV。

3½位发光管数字显示，精度不低于%。

注：

IS和IM两组电流源也可用于需要直流恒流供电的其它场合，用户只要将“VH、Vσ”输出短接，可按需要选取一组或两组恒流源利用都可。

三、利用说明

1.测试仪的供电电源为~220V，50Hz，电源进线为单相三线。

2.电源插座和电源开关均安装在机箱反面，保险丝为0.5A，置于电源插座内。

3.样品各电极及线包引线与对应的双刀换接开关之间连线（已由厂家连接好）见实验仪上图示说明。

4.测试仪面板上的“IS输出”、“IM输出”和“VH、Vσ输入”三对接线柱应别离与实验仪上的三对相应的接线柱正确连接。

5.仪器开机前应将IS、IM调剂旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小状态，然后再开机。

6.“VH、Vσ切换开关”应始终维持闭合状态。

7.仪器接通电源后，预热数分钟即可进行实验。

8.“IS调剂”和“IM调剂”别离用来操纵样品工作电流和励磁电流的大小，其电流随旋钮顺时针方向转动而增加，细心操作，调剂的精度别离可达10μA和1mA。

IS和IM计数可通过“测量选择”按键来实现。

按键测IM，放键测IS。

9.三个开关，各用来操纵或选择励磁电流、工作电流和霍尔电压的方向。

10.关机前，应将“IS调剂”和“IM调剂”旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于零，现在指示器计数为“000”，然后才可切断电源。

四、仪器查验步骤

1.仪器出厂前，霍尔片已调至电磁电中心位置。

霍尔片性脆易碎、电极甚细易断，严防撞击，或用手去触摸，不然，即遭损坏！

在需要调剂霍尔片位置时，必需谨慎，切勿随意改变y轴方向的高度，以避免霍尔片与磁极面摩擦而受损。

2.测试仪的“IS调剂”和“IM调剂”旋钮均置零位（即逆时针旋到底）。

3.测试仪的“IS输出”接实验仪的“IS输入”，“IM输出”接“IM输入”，并将IS和IM换向开关掷向任一侧。

注意：

决不许诺将“IM输出”接到“IS输入”或“VH、Vσ输出”处，不然，一旦通电，霍尔样品即遭损坏。

4.实验仪的“VH、Vσ输出”接测试仪的“VH、Vσ输入”，“VH、Vσ输出”切换开关倒向VH一侧。

5.接通电源，预热数分钟后，电流表显示“.000”（当按下“测量选择”键时）或“0.00”（放开“测量选择”键时），电压表显示为“0.00”（假设不为零，可通过面板左下方小孔内的电位器来调整）。

注：

有时，IS调剂电位器或IM调剂电位器起点不为零，将显现电流表指示末位不为零，亦属正常。

6.置“测量选择”于IS档（放键），电流表所示的IS值即随“IS调剂”旋钮顺时针转动而增大，其转变范围为0~10mA，现在电压表所示VH读数为“不等势”电压值，它随IS增大而增大，IS换向，VH极性改号（此乃副效应所致，可通过“对称测量法”予以排除），说明“IS输出”和“IS输入”正常。

取IS≈2mA。

7.置“测量选择”于IM档（按键），顺时针转动“IM调剂”旋钮，查看范围应为0~1A。

现在VH值亦随IM增大而增大，当IM换向时，VH亦改号（其绝对值随IM流向不同而异，此乃副效应所致，可通过“对称测量法”予以排除），说明“IM输出”和“IM输入”正常。

至此，应将“IM调剂”旋钮复零。

8.放开测量选择键，再测IS，调剂IS=2mA，然后将“VH、Vσ输出”切换开关倒向Vσ一侧，测量Vσ（A、C电极间电压），IS换向，Vσ亦改号，至此，说明霍尔样品的各个电极均为正常。

将“VH、Vσ输出”切换开关恢复VH一侧。

注意：

查看Vσ时，IS不宜过大，以避免数字电压表超量程，通常取IS为2mA左右。

9.本仪器数码显示稳固靠得住，但假设电源线不接地那么可能显现数字跳动现象。

“VH、Vσ输入”开路或输入电压超量程，那么电压表显现溢显现象。