文档介绍：--------------------------校验:_____________-----------------------日期:_____________霍尔效应霍尔效应学院:化学工程姓名:。学****用“对称测量法”消除副效应的影响,测量并绘制试样的VH-IM曲线。确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。。霍尔效应测量方法应用发展前景引言一、霍尔效应的原理将一块半导体或导体材料,沿Z方向加以磁场,沿X方向通以工作电流I,则在Y方向产生出电动势,如图1所示,这现象称为霍尔效应。称为霍尔电压。(a)(b)图1霍尔效应原理图实验表明,在磁场不太强时,电位差与电流强度I和磁感应强度B成正比,与板的厚度d成反比,即(1)(2)式(1)中称为霍尔系数,式(2)中称为霍尔元件的灵敏度,单位为mv/(mA·T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子(N型半导体中的载流子是带负电荷的电子,P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴)在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。如图1(a)所示,一快长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片,置于沿Z轴方向的磁场中,在X轴方向通以电流I,则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为(3) 式中为电子的漂移运动速度,其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷量。指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转的结果,向A侧面积聚,同时在B侧面上出现同数量的正电荷,在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场(即霍尔电场),使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力,A、B面之间的电位差为(即霍尔电压),则(4)将阻碍电荷的积聚,最后达稳定状态时有即得(5)此时B端电位高于A端电位。若N型单晶中的电子浓度为n,则流过样片横截面的电流I=nebdV得(6)将(6)式代入(5)式得(7)式中称为霍尔系数,它表示材料产生霍尔效应的本领大小;称为霍尔元件的灵敏度,一般地说,愈大愈好,以便获得较大的霍尔电压。因和载流子浓度n成反比,而半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小,所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏度较高。又因和样品厚度d成反比,所以霍尔片都切得很薄,一般d≈。上面讨论的是N型半导体样品产生的霍尔效应,B侧面电位比A侧面高;对于P型半导体样品,由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴,与N型半导体的情况相反,A侧面积累正电荷,B侧面积累负电荷,如图1(b)所示,此时,A侧面电位比B侧面高。由此可知,根据A、B两端电位的高低,就可以判断半导体材料的导电类型是P型还是N型。由(7)式可知,如果霍尔元件的灵敏度已知,测得了控制电流I和产生的霍尔电压,则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为。高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度B值的仪器。它是选定霍尔元件,即已确定,保持控制电流I不变,则霍尔电压与被测磁感应强度B成正比。如按照霍尔电压的大小,预先在仪器面板上标定出高斯刻度,则使用时由指针示值就可直接读出磁感应强度B值。由(7)式知因此将待测的厚度为d的半导体样品,放在均匀磁场中,通以控制电流I,测出霍尔电压,再用高斯计测出磁感应强度B值,就可测定样品的霍尔系数。又因(或),故可以通过测定霍尔系数来确定半导体材料的载流子浓度n(或p)(n和p分别为电子浓度和空穴浓度)。严格地说,在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同,考虑到载流子速度的统计分布,并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移率之积,可得半导体霍尔系数的公式中还应引入一个霍尔因子,即普通物理实验中常用N型Si、N型Ge、InSb和InAs等半导体材料的霍尔元件在室温下测量,霍尔因子,所以式中库仑二、霍尔效应的应用 1、测量载流子浓度: 根据霍尔电压产生的公式,以及在外加磁场中测量的霍尔电压可以判断传导载流子的极性与浓度,这种方式被广泛的利用于半导体中掺杂载体的性质与浓度的测量上。 2、测量磁场强度: 只要测出霍尔电压VBB’,即可算出磁场B的大小;并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子,P型半导体多数载流子为空穴),则由VBB’的正负可测出磁场方向,反之,若已知磁场方向,则可判断载流子类型。 3、测量电流强度: 将霍尔器件的输出(必要时可进行放大)送到经校准的显示器上,即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单,测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中,霍尔器件是磁场检测器,它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后,磁芯可能达到饱和;随着频率升高,磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然,也可采取一些改进