微电子学综合实验指导书实验1

1、 实验指导书 4学时 学时安排：实验名称：实验一、半导体霍尔效应 必做 实验要求： 实验类别：验证性 一、实验目的 1. 理解霍尔效应的物理意义； 2. 了解霍尔元件的实际应用； 3. 掌握判断半导体导电类型，学会测量半导体材料的霍尔系数、电导率、载流子浓度、漂移迁移率及霍尔迁移率的实验方法。 二、实验原理 将一块宽为2a，厚为d，长为b的半导体样品，在X方向通以均匀电流I，Z方向上加有均匀X的磁场B时（见图1.1所示），则在Y方向上使产生一个电势差，这个电势差为霍尔电势差，用UHz表示，这种现象就称为霍尔效应。 图 1.1 与霍尔电势对应的电场，叫做霍尔电场，用E表示，其大小与电流密度J和所

2、加磁场强XY度B成正比，可以定义如下形式： z E= RBJX ZY H （1） 上式中，R 为比例系数，称为霍尔系数。H霍尔效应的物理意义可做如下解释：半导体中的电流是载流子（电子或空穴）的定向动动的作用，使载流子沿虚线方B运动的载流子，将受到沦仑兹力f= e 引起的，一人以速度Zx xB ，此电场对E所示，并最后堆积在与Y轴垂直的两个面上，因而产生静电场向偏转，如图1.2Y电荷就能无偏离地大小相等，E它与磁场对运动载流子的沦仑兹力f载流子的静电作用力f=e BEY, 型半导体为例：E。下面以N通过半导体，因而在Y方向上就有一个恒定的电场Y ） （2 e 有 B= e E YZ x 电流密度

3、 vJn?e?XX1BE?J （3 ） 所以 ZXYn?e将（3）式与（1）式比较，可得： 1?R （4） Hen?-19C。同理，如果霍尔元件是 = 1.602 e 10P上式中n为电子的浓度，e 为电子电荷量，其值为型（既载流子为空穴）半导体制成的，则R =1/（pe），其中p为空穴的浓度。 H 图 1.2 又因 UIXH?JE? XYad2a2由（3）式得： IBRHxz (5) BIU?K?IB? ZZXXHn?e?ddK为霍尔元件灵敏度，单位为V/（AT） H) （6 R = K d 所以HH33/库仑） /C（米霍尔系数R的单位为mH如果霍尔元件的灵敏度K已经测定，就可以用式（5）

4、来测量未知磁场B，既有： ZHUH?B （7） ZKIXH由图1.2可以看出，若载流子带正电，则所测出的U极性为下正上负；若载流子带负电，H则所测出的U极性为上正下负。所以，如果知道磁场方向和工作电流方向，就可以确定载流子H的类型。反之，如果知道载流子的类型和工作电流方向，就可以判定磁场的方向。 概据半导体物理性质可知，载流子在半导体中运动时，它将不断地得到散射， R还必须用半导体物理理论加以适当修正，即 H1?R ( 8 ) ne1?n ( 9 ) eRH?为一个偏离1式中不大的因子，它与半导体的能带结构和散射机理有关，具体地说，对于球形等能面的非简并半导体来说： 长声学波散射时（晶格散射）

5、 ?3?1?.178 8 电离杂质散射时315?933.1? 512?1? 对高度简并化的半导体?e?nEJ?，式中或为N型半导体的漂移迁移率。将我们知道，电导率NNXX此式与（8）式比较，可得 ?R NH?R 表示如果用R 即 （10） H HHH 叫做霍尔迁移率N?H? ） 所以 （11 ?N通过实验测量出R和即可算得，从而也可求得值。对于非简并半导体（球形等能NHH面）晶格散射时 8? ?R （12）HN?3实验原理接线见图1.3，被测样品一般为短形薄片，为克服短路效应，要求长和宽之比大于2，被测样品是一块有6根引线电极的N型半导体（如图1.4），为了减小不等位电势的影响，电位电极2与4

6、，1与3必须对正，即要求24、13的连线必须垂直于X方向。 1.3 图 1.4 图，在电LL、（4、3）间的距离分别为、样品的宽为2a，厚为d，长为b,电位电极（21）4321）间的霍42、1、3）或（、流电极65间（即X方向）通以工作电流I，由数字电压表测出（X 。、）间的电位差UU 尔电压U和（2、1）、（4、34321H E计算出电导率：根据欧姆定律J= XX LI?d)JI(2a?21XXX? 21U?a?dEUL2212121XL?I)d2a?JI(43X?XX? 43U2a?d?UEL434343X?4321? （13） 2如果I单位是A，U（U）的单位是V，长度L（L）、宽度b和

7、厚度d的单位均为m，4343X2121则电导率单位为1/（）。 这样，我们可以根据式（7）、（13）、（6）、（12）、（10）、（9）分别算出磁感应强度B、电Z导率、霍尔系数R、漂移迁移率、霍尔迁移率，半导体中载流子浓度n。 HNH由于样品电流电极6、5两端同样品的焊点处电阻不同，使得样品两端产生不同的焦耳热，因而样品两端温度不同，结果有热流过样品，使样品的温度分布存在着梯度。若各电位电极（14）与样品接触处的温度具有不同值，就会在电极（2、4）或（1、3）间产生温差电势。处于磁场的样品，当有温度梯度存在时，还将产生几种新的效应：爱廷豪森效应，能斯特效应和里纪杜勒克效应，它们统称为热磁效应。

8、另外，因霍尔元件材料本身的不均匀，霍尔电极位置的不对称，即使不存在磁场，当电流I通过样品时，（1、3）、（2、4）两端也会处在不同的等位面X上，因此，（1、3）、（2、4）两端产生不等位电势差。 为了减小测量时伴随的各种副效应消除不等位电压，取电流和磁场的方向四种不同组合，对电位电极（1、3）或（2、4）间电压进行四次测量，用U（1），U（2），U（3），U（4），HHHH分别表示（+B，+I）组合、（+B，-I）组合、（- B，- I）组合和（- B，+ I）组合时的测XZZZXXXZ量结果，最后取 1 ? (4)?U?U(3)(1)U?U(2) = U （14） H HHHH4三、实验设备

9、 本实验采用HL6A霍尔效应实验仪。该仪器由两部分组成。 第一部份为实验仪：由电磁铁、霍尔元件、四个换向开关组成；第二部份为测试仪：有两路直流稳流源可分别为电磁铁提供1000mA的稳定电流，为霍尔元件提供10.0mA的稳定电流， 200mV高精度数字电压表用来测量霍尔电压。实验接线图如图5。 四、实验容和步骤 1. 判断半导体无件的导电类型 1) 按图1.5连接好电路，将霍尔元件移动到电磁铁气隙中。 2) 合上K，调节励磁电流为600mA，根据励磁电流的方向确定电磁铁中磁场方向。 13) 合上K，调节霍尔元件的工作电流为5mA，并确定霍尔元件工作电流6、5的极性。 24) 合上K或K，用200

10、mV数字电压表测出霍尔电压，并确定（1、3）或（2、4）霍尔43元件极性，根据图1.2判断出半导体元件的导电类型。 2. 测量电磁铁的磁感应强度 保持励磁电流600mA不变，调节工作电流I至10.0mA，移动标尺使霍尔元件在电磁铁空X中部，K或K向上合，用200mV数字电压表测出霍尔电压U（1），按顺序将B、I换向，X43ZH测出相应的U（2）、U（3）和U（4）值，最后取U= |U（1）| + | U（2）| + | U（3）| + HHHHHHH | U（4）| / 4。由给出的霍尔灵敏度K和公式B= U/（KI），计算出B值。（若霍尔电ZXHHZ HH 。压输出显示未超量程时，可将工作电

11、流或励磁电流调小）3. 测量磁感应强度B沿X方向的分布情况 Z上述励磁电流和工作电流不变，移动标尺，测出霍尔元件沿水平方向上各点的霍尔电压U，H计算出相应的磁感应强度B，作BX关系的分布曲线。 ZZ4. 研究工作电流I与霍尔电压U的关系 HX保持电磁铁的励磁电流为一定值不变，霍尔元件置于电磁铁的气隙中部，将霍尔元件的工作电流依次调节为1.0mA,2.0mA,3.0mA,，10.0mA,测量相应的霍尔电压U。以横坐标为工H作电流I，纵坐标为霍尔电压U，绘出IU的关系曲线。 HHXX 图1.5 5. 研究励磁电流I与磁感应强度B的关系 ZB保持霍尔元件的工作电流I为5mA，霍尔元件置于电磁铁气隙中

12、部，将电磁铁的励磁电流XI依次调节器为100mA,200mA,300mA,，600mA，测出相应的霍尔电压U值，再计算出相HB应的B值。以I为横坐标，B为纵坐标，作IB曲线，并对曲线进行说明。 ZZBBZ6. 合上K，调节工作电流为1.00mA，断开K，将霍尔元件（2、1）、（4、3）两端分别12接入数字电压表，测出电压U、U，根据公式（13）算出电导率。（若U或U超过200 mV，43432121应减小工作电流I）。 X7. 测定霍尔系数R、载流子浓度n、漂移迁移率霍尔迁移率。 HHN根据公式（6）、（9）、（10）、（12）可分别计算出霍尔系数R、载流子浓n、漂移迁移率，NH霍尔迁移率 。H五、注意事项和要求 1 霍尔元件是易损元件，必须防止受压、挤、扭、碰撞等现象，以免损坏元件而无法使用。 2 实验前应检查电磁铁和霍尔元件二维移动尺是否松动，紧固后使用。 3 电磁铁励磁线圈通电时间不宜过长，否则线圈发热，影响测量结果。