微电子学综合试验指导书试验1

1、实验指导书学时安排：4学时实验要求：必做实验名称：实验一、半导体霍尔效应实验类别：验证性、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。、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Ix，Z方向上加有均匀 的磁场Bz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Uh表示，这种现象就称为霍尔效应。Z(B)(1)与霍尔电势对应的电场，叫做霍尔电场，用Ey表示，其大小与电流密度 Jx和所加磁场强度Bz成

2、正比，可以定义如下形式：Ey =Rh Bz Jx上式中，Rh为比例系数，称为霍尔系数。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）的定向动动引起的，一人以速度 U运动的载流子，将受到沦仑兹力fB = e uBz的作用，使载流子沿虚线方向偏转，如图1.2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Ey，此电场对载流子的静电作用力fE=e Ey,它与磁场对运动载流子的沦仑兹力fB大小相等，电荷就能无偏离地通过半导体，因而在 Y方向上就有一个恒定的电场Ey。下面以N型半导体为例：有euBz= e Ey（2）电流密度J x e n vx1所以Ey JX Bzn e将

3、（3）式与（1）式比较，可得：(3)Rh(4)上式中n为电子的浓度，e为电子电荷量，其值为 e = 1.602 10-19c。同理，如果霍尔元件是 P 型（既载流子为空穴）半导体制成的，则Rh =1/ （ pe）,其中p为空穴的浓度。YN哥图1.2又因EyUhJ IxJX2a2ad由（3）式得:IxBzRhdIxBzKJxBz38Kh为霍尔元件灵敏度，单位为 V/ （AT）所以Rh = Kh d( 6)霍尔系数Rh的单位为m3/C （米3/库仑）如果霍尔元件的灵敏度Kh已经测定，就可以用式（5）来测量未知磁场 Bz,既有：Bz 上匚（7）KhIx由图1.2可以看出，若载流子带正电，则所测出的U

4、h极性为下正上负；若载流子带负电，则所测出的Uh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，Rh还必须用半导体物理理论加以适当修正，即1ne1eFH式中 为一个偏离1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）1.178电离杂质散射时3155121.933通过实验测量出Rh和b即可算得，从而也可求得少值。对于非简并半导体（球形等能对高度简并化的半导体1我们

5、知道，电导率J X EX 或n eN，式中MN为N型半导体的漂移迁移率。将此式与（8）式比较，可得RhN如果用阳表示Rh b即HRh(10)职叫做霍尔迁移率(11)所以面）晶格散射时(12)8nRh3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, 1与3必须对正，即要求 2 4、1 3的连线必须垂直于 X方向。462O处于BzO磴场中源的样品1V5图1.3d4 3b图1.4样品的宽为2a,厚为d，长为b,电位电极（2、1） （4、3）间的距离分别为 L2

6、1、L43，在电 流电极6、5间（即X方向）通以工作电流Ix，由数字电压表测出（1、3）或（2、4）间的霍 尔电压Uh和（2、1）、（4、3）间的电位差 U21、U43。根据欧姆定律Jx =Ex计算出电导率 gJxIx (2a d)IxL2121 E匚XU 21 L212a dU21J XIx (2a d)IxL4343 EExU 43 L432a dU4321432如果Ix单位是A , U21 （ U43）的单位是V，长度L21 （ L43）、宽度b和厚度d的单位均为 m, 则电导率单位为1/ （ Q）o这样，我们可以根据式（7）、（13）、（ 6）、（12 ）、（10）、（ 9）分别算出磁

7、感应强度Bz、电导率g霍尔系数Rh、漂移迁移率 、霍尔迁移率 附，半导体中载流子浓度 n。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。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lx通过样品时，（1、3）、（2、4）两端也会处在不同的等

8、位面上，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Uh（ 1），Uh（ 2），Uh（ 3），Uh（ 4），分别表示（+Bz， +Ix）组合、（+Bz，-lx）组合、（-Bz， - lx）组合和（-Bz， + lx）组合时的测 量结果，最后取1Uh = 4 Uh（1） Uh（2） Uh（3） Uh（4）（ 14）三、实验设备本实验采用HL 6A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

9、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K1，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。3）合上K2,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。4）合上K3或K4，用200mV数字电压表测出霍尔电压，并确定（1、3）或（2、4）霍尔元件极性，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

10、600mA不变，调节工作电流Ix至10.0mA，移动标尺使霍尔元件在电磁铁空 中部，K3或K4向上合，用200mV数字电压表测出霍尔电压 Uh（ 1），按顺序将Bz、Ix换向， 测出相应的 Uh（2）、Uh（3）和 Uh（4）值，最后取 Uh = |Uh（ 1） | + | Uh（ 2） | + | Uh（ 3） | + | Uh （4） | / 4。由给出的霍尔灵敏度 Kh和公式Bz = Uh/ （ Kh Ix）,计算出Bz值。（若霍尔电 压输出显示未超量程时，可将工作电流或励磁电流调小）。3. 测量磁感应强度 Bz沿X方向的分布情况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

11、向上各点的霍尔电压Uh,计算出相应的磁感应强度Bz，作BzX关系的分布曲线。4. 研究工作电流Ix与霍尔电压Uh的关系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 Uh。以横坐标为工 作电流lx,纵坐标为霍尔电压 Uh，绘出IxUh的关系曲线。mA4200mV图1.55. 研究励磁电流Ib与磁感应强度Bz的关系保持霍尔元件的工作电流lx为5mA，霍尔元件置于电磁铁气隙中部，将电磁铁的励磁电流Ib依次调节器为100mA,200mA,300mA,600mA ,测出相应的霍尔电压

12、Uh值，再计算出相 应的Bz值。以IB为横坐标，Bz为纵坐标，作IbBz曲线，并对曲线进行说明。6. 合上K2，调节工作电流为1.00mA，断开Ki,将霍尔元件（2、1）、（4、3）两端分别 接入数字电压表，测出电压U2i、U43，根据公式（13）算出电导率o。（若U21或U43超过200 mV , 应减小工作电流lx ）。7. 测定霍尔系数 Rh、载流子浓度 n漂移迁移率 职霍尔迁移率 。根据公式（6）、（ 9）、（ 10）、（12）可分别计算出霍尔系数 Rh、载流子浓n漂移迁移率 少, 霍尔迁移率阳。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