霍尔效应及其应用
置于磁场中的载流体如果电流方向与磁场垂直则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879年发现的后被称为霍尔效应。随着半导体物理学的迅速发展霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段而且随着电子技术的发展利用该效应制成的霍尔器件由于结构简单、频率响应宽高达10GHz、寿命长、可靠性高等优点已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天作为敏感元件之一的霍尔器件将有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验对日后的工作将有益处。
一、实验目的
1了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。
2学习用“对称测量法”消除副效应的影响测量并绘制试样的VHIS和VHIM曲线。
3确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
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起的偏转。当带电粒子电子或空穴被约束在固体材料中这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积从而形成附加的横向电场即霍尔电场。对于图1a所示的N型半导体试样若在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
1
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率B
B
veFzV
fN型0YEP型
0YEX、BZIsHH为磁感应强度。
无论载流子是正电荷还是负电荷Fz的方向均沿Y方向在此力的作用下载流子发生便移则在Y方向即试样A、A电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样A、A两侧产生一个电位差VH形成相应的附加电场E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型试样则沿Y方向有
ab
图1样品示意图
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
FEeEH2其中EH为霍尔电场强度。
FE随电荷积累增多而增大r