变温霍尔效应w

变温霍尔效应摘要：本实验我们研究了样品（锑化铟）的霍尔系数随温度的变化情况。实验中，我们利用液氮沸腾吸热原理和反馈加热的方法来控制样品的温度。通过测量不同温度下的霍尔电压来计算出变温情况下的霍尔系数，画出温度80-300k范围内样品的QUOTElnRH-1T和曲线。并通过曲线来研究禁带宽度、载流子浓度、迁移率等特征。引言1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力的情况时，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。在半导体材料中，霍尔效应比在金属中大几个数量级，引起人们对它的深入研究。霍尔效应的研究在半导体理论的发展中起了重要的推动作用，直到现在，霍尔效应的测量仍是研究半导体性质的重要实验方法。利用霍尔效应，可以确定半导体的导电类型和载流子浓度，利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来研究半导体的导电机构(本征导电和杂质导电)和散射机构(晶格散射和杂质散射)，进一步确定半导体的迁移率、禁带宽度、杂质电离能等基本参数。测量霍尔系数随温度的变化，可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的温度特性。根据霍尔效应原理制成的霍尔器件，可用于磁场和功率测量，也可制成开关元件，在自动控制和信息处理等方面有着广泛的应用。实验原理1.半导体的能带结构和载流子浓度没有人工掺杂的半导体称为本征半导体，本征半导体中的原子按照晶格有规则的排列，产生周期性势场。在这一周期势场的作用下，电子的能级展宽成准连续的能带。束缚在原子周围化学键上的电子能量较低，它们所形成的能级构成价带；脱离原子束缚后在晶体中自由运动的电子能量较高，构成导带，导带和价带之间存在的能带隙称为禁带。当绝对温度为0K时，电子全被束缚在原子上，导带能级上没有电子，而价带中的能级全被电子填满；随着温度升高，部分电子由于热运动脱离原子束缚，成为具有导带能量的电子，它在半导体中可以自由运动，产生导电性能，这就是电子导电；而电子脱离原子束缚后，在原来所在的原子上留下一个带正电荷的电子的缺位，通常称为空穴，它所占据的能级就是原来电子在价带中所占据的能级。因为邻近原子上的电子随时可以来填补这个缺位，使这个缺位转移到相邻原子上去，形成空穴的自由运动，产生空穴导电。半导体的导电性质就是由导带中带负电荷的电子和价带中带正电荷的空穴的运动所形成的。这两种粒子统称载流子。本征半导体中的载流子称为本征载流子，它主要是由于从外界吸收热量后，将电子从价带激发到导带，其结果是导带中增加了一个电子而在价带出现了一个空穴，这一过程成为本征激发。所以，本征载流子总是成对出现的，它们的浓度相同，本征载流子浓度仅取决于材料的性质及外界的温度。为了改变半导体的性质，常常进行人工掺杂。不同的掺杂将会改变半导体中电子或空穴的浓度。若所掺杂质的价态大于基质的价态，在和基质原子键合时就会多余出电子，这种电子很容易在外界能量的作用下脱离原子的束缚成为自由运动的电子，所以它的能级处在禁带中靠近导带底的位置，这种杂质称为施主杂质。施主杂质中的电子进入导带的过程称为电离过程，离化后的施主杂质形成正电中心，它所放出的电子进入导带，使导带中的电子浓度远大于价带中空穴的浓度，因此，掺施主杂质的半导体呈现电子导电的性质，称为n型半导体。施主电离过程是施主能级上的电子跃迁到导带并在导带中形成电子的过程，跃迁所需的能量就是施主电离能；反之，若所掺杂质的价态小于基质的价态，这种杂质是受主杂质，它的能级处在禁带中靠近价带顶的位置，受主杂质很容易被离化，离化时从价带中吸引电子，变为负电中心，使价带中出现空穴，呈空穴导电性质，这样的半导体为p型半导体。受主电离时所需的能量就是受主电离能。当导带中的电子和价带中的空穴相遇后，电子重新填充原子中的空位，导致相应的电子和空穴消失，这过程叫就是电子和空穴的复合。在这一过程中，电子从高能态的导带回到低能态的价带，多余的能量以热辐射的形式或光辐射的形式放出。从以上分析可以看出，载流子的浓度和运动状态对半导体的导电性质和发光性质等起到关键的作用。载流子浓度随温度的变化可分为三个温区来讨论。以p型半导体为例：当温度较低时（几十k），只有很少受主电离，空穴浓度远小于受主浓度，产生的空穴浓度：(1)式中NV为价带的有效能级密度，NA为受主杂质浓度。由（1）式得到：(2)曲线基本上为直线，由斜率可得到受主电离能Ei。b)杂质全电离的饱和区。杂质全电离，本征激发尚未占主导地位。载流子浓度与温度无关。c)本征激发为主的高温区，本征载流子浓度ni>>受主浓度NA。对硅材料，本征激发开始起作用的温度为~500K。半导体中本征载流子浓度可表为：（3）如对于硅材料，代入数据后可得：式中T为绝对温度，Eg为禁带宽度，k=8.62×10-5eV/0K为波尔兹曼常数。作曲线，一般为较陡的的直线，由直线斜率即可求出禁带宽度Eg：(4)2.霍尔效应（1）霍尔效应霍尔效应是一种电流磁效应，如右图所示，当样品通以电流I时，并加一磁场垂直于电流，则在样品的两侧产生一个霍尔电位差：图1.霍尔效应示意图UH与样品的厚度d成反比，与磁感应强度B和电流I成正比，比例系数叫做霍尔系数。图1.霍尔效应示意图霍尔电位差是这样产生的：当电流通过样品（假设为P型），空穴有一定得漂移速度v，垂直磁场对运动电荷产生一个洛伦兹力F=q(v×B)。洛伦兹力使电荷产生横向偏转，由于样品有边界，所以有些偏转的载流子停在边界积累起来，产生一个横向电场E，直到电场对载流子的作用力F=qE与磁场作用的洛伦兹力相抵消为止，即：q(v×B)=qE。这时电荷在样品中流动时将不再偏转，霍尔电位场就是由这个电场建立起来的。（2）一种载流子导电的霍尔系数设P型样品的p>>n，宽度为w，通过样品的电流I=pqvwd，则空穴的速度v=I/(pqwd)，代入q(v×B)=qE得：E=|v×B|=IB/(pqwd)。上式两遍同乘w，便得到与相比，可得对于N型样品，其霍尔系数由可得霍尔系数为：式中的是霍尔电压，单位为V；I、B和d的单位分别为A、T和cm。（3）两种载流子导电的霍尔系数如果在半导体中同时存在数量级相同的两种载流子，那么，在计算霍尔效应时，就必须同时考虑两种载流子在磁场中的偏转效果。在磁场中，电子和空穴本来都朝同一边积累，霍尔电场的作用是它们中一个加强，另一个减弱，这样，使横向的电子流和空穴的电流大小相等，由于它们的电荷相反，所以横向的总电流为零。假设载流子服从经典的统计规律，在球形的等势面上，只考虑晶格散射及弱磁场的条件下，对于电子和空穴混合导电的半导体，可以证明：其中（4）P型半导体的变温霍尔系数半导体内载流子的产生存在两种方不同机制：杂质电离和本征激发。在一般半导体内两种导电机制总是同时起作用。即载流子既可来自于杂质电离，又可来自本征激发，但要看哪一种占优势而起主导作用。因而两者需要的激发能不同，取决于所处的温度，因而霍尔系数将随温度的变化而变化。下面以P型半导体为例分四个温度范围讨论-T之间的关系，并根据曲线斜率求出禁带宽度，杂质电离能，曲线如图1所示，此曲线包括以下四个部分：1）杂质电离饱和区，所有的杂质都已经电离，载流子浓度保持不变。P型半导体中p>>n，在这个区域内，>0.2）温度逐渐升高时，价带上的电子开始激发到导带，由于电子迁移率大于空穴迁移率，b>1，当温度升高到时，=0，如果取对数，就出现了图1中标有“b”的一段。3）当温度再升高时，更多的电子从价带激发到导带，而使，随后将会达到一个极值。此时，价带的空穴数，可得到式中为达到极值，是杂质电离饱和区的霍尔系数。由上式可以估算出电子迁移率与空穴迁移率的比值b。4）当温度继续升高，达到本征激发范围内，载流子浓度远远超过受主的浓度，霍尔系数与导带中电子浓度成反比。因此，随温度的上升，曲线基本上按指数下降。由于此时载流子浓度几乎与受主浓度无关，所以代表杂质含量不同的各种样品的曲线都聚合在一起。图2.p型半导体和N型半导体的图2.p型半导体和N型半导体的RH—实验图3.实验装置图 图3.实验装置图我*们用变温恒温器和控温仪实现温度的变化，通过控温仪来设定我们所需的温度，变温恒温箱里面通过液氮的冷却和加热器的加热，来实现温度的动态平衡。我们通过旋转可换向永磁铁的方向来实现磁场方向的变化。用CVⅡ-2000表来实现电流大小与方向的控制。实验数据处理与结果分析常温下的霍尔系数霍尔电压的方向与电流的方向、磁场的方向和载流子类型有关。由于存在热电势，电压降等副效应，我们要在不同的电流方向和磁场方向下测量四次霍尔电压：、、、来消除负效应。从而霍尔电压又知霍尔系数计算公式为。样品参数：样品：锑化铟样品厚度：1.1mm电流：I=10mAB=0.512TT（K）UUUUU297.433.105-3.1052.946-2.2.9453.025表1.常温下实验数据则=6.5×10-4（m3CT(K)表二.变温条件下的实验数据及相关的数据处理图4.ln分析：从做出的.lnRH图5.试验样品的图像（3）室温下载流子的浓度对单一载流子情况，载流子的浓度为QUOTEni=10191.6RH（m-3），在（1）中我们的得到的室温下的RH为6（4）电子和空穴的电导迁移率的比值b。根据公式QUOTERH=-3π81NAb-124b=-Rsb-124b我们只要得到RH（5）计算能带宽度禁带宽度由最小二乘法求出，已知禁带宽度的计算公式为，用本征激发的几组数据画图求斜率，可以得出的值，以求得。T1/TRln250.80.0039990.00295-5.82583259.960.0038470.001979-6.22531270.270.00370.001431-6.54956280.160.0035690.00104-6.86807290.870.0034380.000788-7.14183表3.求E所用数据我们画出高温情况下（即本征激发下）的.lnRH-图6.本征激发下的lnR波尔兹曼常量，从而得到计算能带宽度为：（六）分析：该实验所测得数据基本与实验事实相符合，误差较小，实验取得了成功。结论与建议结论：1.实验所得的常温下的霍尔系数为：=6.5×10-4（m3C）

3.实验中室温下载流子的浓度为：QUOTEni=10191.64.实