微電子學(xué)綜合試驗(yàn)指導(dǎo)書試驗(yàn)1

1、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書學(xué)時(shí)安排：4學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)要求：必做實(shí)驗(yàn)名稱：實(shí)驗(yàn)一、半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)類別：驗(yàn)證性、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 理解霍爾效應(yīng)的物理意義；2. 了解霍爾元件的實(shí)際應(yīng)用；3. 掌握判斷半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，學(xué)會(huì)測(cè)量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)、電導(dǎo)率、載流子濃度、漂 移遷移率及霍爾遷移率的實(shí)驗(yàn)方法。、實(shí)驗(yàn)原理將一塊寬為2a,厚為d,長(zhǎng)為b的半導(dǎo)體樣品，在 X方向通以均勻電流Ix，Z方向上加有均勻 的磁場(chǎng)Bz時(shí)（見圖1.1所示），則在Y方向上使產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差為霍爾電勢(shì)差，用Uh表示，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。Z(B)(1)與霍爾電勢(shì)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)，叫做霍爾電場(chǎng)，用Ey表示，其大小與電流密度 Jx和所加磁場(chǎng)強(qiáng)度Bz成

2、正比，可以定義如下形式：Ey =Rh Bz Jx上式中，Rh為比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)?；魻栃?yīng)的物理意義可做如下解釋：半導(dǎo)體中的電流是載流子（電子或空穴）的定向動(dòng)動(dòng)引起的，一人以速度 U運(yùn)動(dòng)的載流子，將受到淪侖茲力fB = e uBz的作用，使載流子沿虛線方向偏轉(zhuǎn)，如圖1.2所示，并最后堆積在與 Y軸垂直的兩個(gè)面上，因而產(chǎn)生靜電場(chǎng)Ey，此電場(chǎng)對(duì)載流子的靜電作用力fE=e Ey,它與磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)載流子的淪侖茲力fB大小相等，電荷就能無偏離地通過半導(dǎo)體，因而在 Y方向上就有一個(gè)恒定的電場(chǎng)Ey。下面以N型半導(dǎo)體為例：有euBz= e Ey（2）電流密度J x e n vx1所以Ey JX Bzn e將

3、（3）式與（1）式比較，可得：(3)Rh(4)上式中n為電子的濃度，e為電子電荷量，其值為 e = 1.602 10-19c。同理，如果霍爾元件是 P 型（既載流子為空穴）半導(dǎo)體制成的，則Rh =1/ （ pe）,其中p為空穴的濃度。YN哥圖1.2又因EyUhJ IxJX2a2ad由（3）式得:IxBzRhdIxBzKJxBz38Kh為霍爾元件靈敏度，單位為 V/ （AT）所以Rh = Kh d( 6)霍爾系數(shù)Rh的單位為m3/C （米3/庫(kù)侖）如果霍爾元件的靈敏度Kh已經(jīng)測(cè)定，就可以用式（5）來測(cè)量未知磁場(chǎng) Bz,既有：Bz 上匚（7）KhIx由圖1.2可以看出，若載流子帶正電，則所測(cè)出的U

4、h極性為下正上負(fù)；若載流子帶負(fù)電，則所測(cè)出的Uh極性為上正下負(fù)。所以，如果知道磁場(chǎng)方向和工作電流方向，就可以確定載流子的類型。反之，如果知道載流子的類型和工作電流方向，就可以判定磁場(chǎng)的方向。概據(jù)半導(dǎo)體物理性質(zhì)可知，載流子在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它將不斷地得到散射，Rh還必須用半導(dǎo)體物理理論加以適當(dāng)修正，即1ne1eFH式中 為一個(gè)偏離1不大的因子，它與半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和散射機(jī)理有關(guān)，具體地說，對(duì) 于球形等能面的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體來說：長(zhǎng)聲學(xué)波散射時(shí)（晶格散射）1.178電離雜質(zhì)散射時(shí)3155121.933通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量出Rh和b即可算得，從而也可求得少值。對(duì)于非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體（球形等能對(duì)高度簡(jiǎn)并化的半導(dǎo)體1我們

5、知道，電導(dǎo)率J X EX 或n eN，式中MN為N型半導(dǎo)體的漂移遷移率。將此式與（8）式比較，可得RhN如果用陽(yáng)表示Rh b即HRh(10)職叫做霍爾遷移率(11)所以面）晶格散射時(shí)(12)8nRh3實(shí)驗(yàn)原理接線見圖1.3，被測(cè)樣品一般為短形薄片，為克服短路效應(yīng)，要求長(zhǎng)和寬之比大于2,被測(cè)樣品是一塊有 6根引線電極的N型半導(dǎo)體（如圖1.4），為了減小不等位電勢(shì)的影響，電位 電極2與4, 1與3必須對(duì)正，即要求 2 4、1 3的連線必須垂直于 X方向。462O處于BzO磴場(chǎng)中源的樣品1V5圖1.3d4 3b圖1.4樣品的寬為2a,厚為d，長(zhǎng)為b,電位電極（2、1） （4、3）間的距離分別為 L2

6、1、L43，在電 流電極6、5間（即X方向）通以工作電流Ix，由數(shù)字電壓表測(cè)出（1、3）或（2、4）間的霍 爾電壓Uh和（2、1）、（4、3）間的電位差 U21、U43。根據(jù)歐姆定律Jx =Ex計(jì)算出電導(dǎo)率 gJxIx (2a d)IxL2121 E匚XU 21 L212a dU21J XIx (2a d)IxL4343 EExU 43 L432a dU4321432如果Ix單位是A , U21 （ U43）的單位是V，長(zhǎng)度L21 （ L43）、寬度b和厚度d的單位均為 m, 則電導(dǎo)率單位為1/ （ Q）o這樣，我們可以根據(jù)式（7）、（13）、（ 6）、（12 ）、（10）、（ 9）分別算出磁

7、感應(yīng)強(qiáng)度Bz、電導(dǎo)率g霍爾系數(shù)Rh、漂移遷移率 、霍爾遷移率 附，半導(dǎo)體中載流子濃度 n。由于樣品電流電極 6、5兩端同樣品的焊點(diǎn)處電阻不同，使得樣品兩端產(chǎn)生不同的焦耳熱，因而樣品兩端溫度不同，結(jié)果有熱流過樣品，使樣品的溫度分布存在著梯度。若各電位電極（14）與樣品接觸處的溫度具有不同值，就會(huì)在電極（2、4）或（1、3）間產(chǎn)生溫差電勢(shì)。處于磁場(chǎng) 的樣品，當(dāng)有溫度梯度存在時(shí)， 還將產(chǎn)生幾種新的效應(yīng)： 愛廷豪森效應(yīng)，能斯特效應(yīng)和里紀(jì)杜勒克效應(yīng)，它們統(tǒng)稱為熱磁效應(yīng)。另外，因霍爾元件材料本身的不均勻，霍爾電極位置的不對(duì)稱，即使不存在磁場(chǎng)，當(dāng)電流lx通過樣品時(shí)，（1、3）、（2、4）兩端也會(huì)處在不同的等

8、位面上，因此，（1、3）、（2、4）兩端產(chǎn)生不等位電勢(shì)差。為了減小測(cè)量時(shí)伴隨的各種副效應(yīng)消除不等位電壓，取電流和磁場(chǎng)的方向四種不同組合， 對(duì)電位電極（1、3）或（2、4）間電壓進(jìn)行四次測(cè)量，用Uh（ 1），Uh（ 2），Uh（ 3），Uh（ 4），分別表示（+Bz， +Ix）組合、（+Bz，-lx）組合、（-Bz， - lx）組合和（-Bz， + lx）組合時(shí)的測(cè) 量結(jié)果，最后取1Uh = 4 Uh（1） Uh（2） Uh（3） Uh（4）（ 14）三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本實(shí)驗(yàn)采用HL 6A霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀。該儀器由兩部分組成。第一部份為實(shí)驗(yàn)儀：由電磁鐵、霍爾元件、四個(gè)換向開關(guān)組成；第二部份為測(cè)試儀：有兩

9、路直流穩(wěn)流源可分別為電磁鐵提供1000mA的穩(wěn)定電流，為霍爾元件提供10.0mA的穩(wěn)定電流，200mV高精度數(shù)字電壓表用來測(cè)量霍爾電壓。實(shí)驗(yàn)接線圖如圖5。四、實(shí)驗(yàn)容和步驟1. 判斷半導(dǎo)體無件的導(dǎo)電類型1）按圖1.5連接好電路，將霍爾元件移動(dòng)到電磁鐵氣隙中。2）合上K1，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流為 600mA，根據(jù)勵(lì)磁電流的方向確定電磁鐵中磁場(chǎng)方向。3）合上K2,調(diào)節(jié)霍爾元件的工作電流為5mA，并確定霍爾元件工作電流 6、5的極性。4）合上K3或K4，用200mV數(shù)字電壓表測(cè)出霍爾電壓，并確定（1、3）或（2、4）霍爾元件極性，根據(jù)圖1.2判斷出半導(dǎo)體元件的導(dǎo)電類型。2. 測(cè)量電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度保持勵(lì)磁電流

10、600mA不變，調(diào)節(jié)工作電流Ix至10.0mA，移動(dòng)標(biāo)尺使霍爾元件在電磁鐵空 中部，K3或K4向上合，用200mV數(shù)字電壓表測(cè)出霍爾電壓 Uh（ 1），按順序?qū)z、Ix換向， 測(cè)出相應(yīng)的 Uh（2）、Uh（3）和 Uh（4）值，最后取 Uh = |Uh（ 1） | + | Uh（ 2） | + | Uh（ 3） | + | Uh （4） | / 4。由給出的霍爾靈敏度 Kh和公式Bz = Uh/ （ Kh Ix）,計(jì)算出Bz值。（若霍爾電 壓輸出顯示未超量程時(shí)，可將工作電流或勵(lì)磁電流調(diào)小）。3. 測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bz沿X方向的分布情況上述勵(lì)磁電流和工作電流不變，移動(dòng)標(biāo)尺，測(cè)出霍爾元件沿水平方

11、向上各點(diǎn)的霍爾電壓Uh,計(jì)算出相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz，作BzX關(guān)系的分布曲線。4. 研究工作電流Ix與霍爾電壓Uh的關(guān)系保持電磁鐵的勵(lì)磁電流為一定值不變，霍爾元件置于電磁鐵的氣隙中部，將霍爾元件的工作電流依次調(diào)節(jié)為 1.0mA,2.0mA,3.0mA,10.0mA,測(cè)量相應(yīng)的霍爾電壓 Uh。以橫坐標(biāo)為工 作電流lx,縱坐標(biāo)為霍爾電壓 Uh，繪出IxUh的關(guān)系曲線。mA4200mV圖1.55. 研究勵(lì)磁電流Ib與磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz的關(guān)系保持霍爾元件的工作電流lx為5mA，霍爾元件置于電磁鐵氣隙中部，將電磁鐵的勵(lì)磁電流Ib依次調(diào)節(jié)器為100mA,200mA,300mA,600mA ,測(cè)出相應(yīng)的霍爾電壓

12、Uh值，再計(jì)算出相 應(yīng)的Bz值。以IB為橫坐標(biāo)，Bz為縱坐標(biāo)，作IbBz曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行說明。6. 合上K2，調(diào)節(jié)工作電流為1.00mA，斷開Ki,將霍爾元件（2、1）、（4、3）兩端分別 接入數(shù)字電壓表，測(cè)出電壓U2i、U43，根據(jù)公式（13）算出電導(dǎo)率o。（若U21或U43超過200 mV , 應(yīng)減小工作電流lx ）。7. 測(cè)定霍爾系數(shù) Rh、載流子濃度 n漂移遷移率 職霍爾遷移率 。根據(jù)公式（6）、（ 9）、（ 10）、（12）可分別計(jì)算出霍爾系數(shù) Rh、載流子濃n漂移遷移率 少, 霍爾遷移率陽(yáng)。五、注意事項(xiàng)和要求1 霍爾元件是易損元件，必須防止受壓、擠、扭、碰撞等現(xiàn)象，以免損壞元件而無法使 用。2 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查電磁鐵和霍爾元件二維移動(dòng)尺是否松動(dòng)，緊固后使用。3 電磁鐵勵(lì)磁線圈通電時(shí)間不宜過長(zhǎng)，否則線圈發(fā)