大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告系列

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告［實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)］ 霍爾效應(yīng) 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饣魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)原理以及有關(guān)霍爾器件對(duì)材料要求的知識(shí)。學(xué)習(xí)用“對(duì)稱(chēng)測(cè)量法”消除付效應(yīng)的影響，測(cè)量試樣的VH—IS；和VH—IM曲線。確定試樣的導(dǎo)電類(lèi)型、載流子濃度以及遷移率?！緦?shí)驗(yàn)儀器】霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀【實(shí)驗(yàn)原理】

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)被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(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)。對(duì)于圖1(a)所示的N型半導(dǎo)體試樣，若在X方向通以電流1s，在Z方向加磁場(chǎng)B，試樣中載流子(電子)將受洛侖茲力FB=evB (1)則在r方向即試樣力、4電極兩側(cè)就開(kāi)始聚積異號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng)一霍爾電場(chǎng)。電場(chǎng)的指向取決于試樣的導(dǎo)電類(lèi)型。對(duì)n型試樣，霍爾電場(chǎng)逆r方向，p型試樣則沿r方向，有：Is(X)、B(Z) EH(r)<0 (N型)Eh(Y)>0 (P型)顯然，該電場(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eEH與洛侖茲力eVB相等時(shí)，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡，故有TOC\o"1-5"\h\zeEH=evB (2)其中eh為霍爾電場(chǎng)，V是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為〃，則Is=nevbd (3)由(2)、(3)兩式可得V=Eb=—IsB=R4B (4)HHnedHd即霍爾電壓Vh(A、A'電極之間的電壓)與IsB乘積成正比與試樣厚度成反比。比例系數(shù)rh=n^稱(chēng)為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)，

R=VHdX108hR=VHdX108hIsB1、由匕的符號(hào)（或霍爾電壓的正、負(fù)）判斷樣品的導(dǎo)電類(lèi)型判斷的方法是按圖一所示的Is和B的方向，若測(cè)得的VH=V”觸f<0，（即點(diǎn)A的電位低于點(diǎn)A'的電位）則Rh為負(fù)，樣品屬N型，反之則為P型。2、由Rh求載流子濃度n即n=、。應(yīng)該指出，這個(gè)關(guān)系式是假定所有的載流子都具有相同的漂移\RHe能切換”置Vh。保持Im值不變（取Im=0.6A），測(cè)繪Vh-Is曲線，2、測(cè)繪匕-Im曲線。實(shí)驗(yàn)儀及測(cè)試儀各開(kāi)關(guān)位置同上。保持(Is=3.00mA)，測(cè)繪V^-Im曲線，3、測(cè)量Is值不變8在零磁場(chǎng)下，V”切換開(kāi)關(guān)投向V?，測(cè)試儀的“功能切換”置V。在零磁場(chǎng)下，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o與載流子濃度n以及遷移率*之間有如下關(guān)系:o=ne*取I,=2.00mA測(cè)量V。(6)注意：Is取值不要過(guò)大以免V太大，毫伏表超量程（此時(shí)首數(shù)碼顯示為1，后良導(dǎo)體P雖高，但*極小，【數(shù)據(jù)表格與數(shù)據(jù)記錄】來(lái)表示器件的靈敏度，【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容良導(dǎo)體P雖高，但*極小，【數(shù)據(jù)表格與數(shù)據(jù)記錄】來(lái)表示器件的靈敏度，【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】K=Hned(7)犬丑稱(chēng)為霍爾靈敏度1、測(cè)繪VH-Is曲線。將實(shí)驗(yàn)儀的“VH、V”切換開(kāi)關(guān)投向VH側(cè)，測(cè)試儀的“功I(mA)V(mv)V(mv)V(mv)V(mv)V=匕-V2+V3—V4(mR 4+I...+B+I...-B—I...+B—I...—B1.004.094.024.024.110.041.506.156.036.066.180.06v)即*=|RH|o，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出o值即可求出*。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P亦較高）的材料。因|rJ=*P，就金屬導(dǎo)體而言，*和P均很低，而不三位數(shù)碼熄滅）。4、確定樣品的導(dǎo)電類(lèi)型將實(shí)驗(yàn)儀三組雙刀開(kāi)關(guān)均投向上方，即Is沿X方向，B沿Z方向，毫伏表測(cè)量電壓為VAA，。取Is=2mA，IM=0.6A，測(cè)量VH大小及極性，判斷樣品導(dǎo)電類(lèi)型。5、求樣品的Rh、n、o和*值。

2.008.218.38.048.200.0852.5010.2510.0610.0410.270.1053.0012.3312.0512.0512.290.1304.0016.3916.0716.0916.410.160

I(mA)V(mv)V(mv)V(mv)I(mA)V(mv)V(mv)V(mv)V(mv)V=V1—V2+V3—匕(mH 4+I...+B+1...—B—I...+B—I...—B0.3004.184.023.954.180.09750.4005.525.375.305.490.0850.5006.846.686.676.840.08250.6008.198.048.038.210.08250.7009.559.049.389.550.1700.80010.9010.7510.7410.920.0825cB=3.64KGS/A=0.364Tb=5mm由公式R=Vh^x108=0”4乂°5乂10一4x108=0.0549cmb=5mmHIB 1x36401 1 R^~0.0549x1.6x10-193x2167.1x5x0.5x10-3=8.8x10-17=143.63西門(mén)子/米由公式日==8.8x10-17=143.63西門(mén)子/米【小結(jié)與討論】了解了霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理以及有關(guān)霍爾器件丟材料的要求的知識(shí)，了解到一些物理量比如說(shuō)霍爾系數(shù)，遷移率，電導(dǎo)率霍爾靈敏度等