新品霍尔效应实验仪的升级特点原理

霍尔效应测试仪，是用于测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数，而这些参数是了解半导体材料电学特性必须预先掌控的，因此是理解和研究半导体器件和半导体材料电学特性*的工具。

升级特点

1、高精密度电流源

输出电流之度可达2nA，如此微小之电流可用于半绝缘材料之量测，即高电阻值材料之量测。

2、高精密度电表

使用超高精度电表，电压量测能力可达nV等级，上限可达300V，极适合用于量测低电阻值材料。

3、外型精简、操作简单

外型轻巧、美观大方，磁铁组之极性更换也很灵活容易，*之液氮容器设计，可确保低温量测之稳定性jia。

4、I-V曲线

采用图表的方式，测量探针四点(A、B、C、D)间电流-电压曲线，藉此评判样品的欧姆接触好坏。

5、单纯好用之操作画面

使用者只需在同一张操作画面中，就可以完成所有的设定，实验结果由软件自动计算得到，并在同一张画面中显示出来，省却画面切换的麻烦，结果可同时得到体载流子浓度(Bulk Carrier Concentration)、表面载流子浓度(Sheet Carrier Concentration)、迁移率(Mobility)、电阻率(Resistivity)、霍尔系数(Hall Coefficient)、等重要实验数据。

6、自行开发之弹簧样品夹具，特殊设计之弹簧探针，其强度加强可改善探针与接触点之电气接触，提高量测之可靠度。

目的与要求

1. 了解霍尔效应测量磁场的原理和方法;

2. 观察磁电效应现象;

3. 学会用霍尔元件测量磁场及元件参数的基本方法

原理

1.霍尔效应

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所产生的。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于电流和磁场的方向上产生正负电荷的积累，从而形成附加的横向电场。如图5.1-1所示的半导体试样，若在方向通以电流，在方向(垂直纸面向外)加磁场，则在方向即试样、电极两侧就开始积累异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移的。当载流子所受的横向电场力与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡。故有

(5.1-1)

其中为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度。在此，载流子电量为电子电量。

设试样的宽为，厚为，载流子浓度为，则:

(5.1-2)

由5.1-1、5.1-2两式可得:

(5.1-3)

即霍尔电压(、电极之间的电压)与乘积成正比，与试样厚度成反比。比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出(伏)，以及知道(安)、(特斯拉)，可按下式计算出(伏特/安培·特斯拉):

(5.1-4)

根据可进一步确定以下参数:

(1)由的符号(或霍尔电压的正负)判别半导体样品的导电类型;

判别的方法是按图5.1-1所示的和的方向，若测得的<0(即点A`的电位低于点A的电位)则为负，样品属型，反之则为型。

(2)由求载流子浓度，即;

(3)结合电导率的测量，求载流子的迁移率。

迁移率表示单位电场下载流子的平均漂移速度，它是反映半导体中载流子导电能力的重要参数。电导率与载流子浓度以及迁移率之间有如下关系:

(5.1-5)

测出值即可求。

在实验中测出，、两电极间电压。已知、间长为，样品截面积，工作电流为，由欧姆定律，得()。其中为电子电量库仑。

2.各种附效应及其消除

以上讨论的霍尔电压是在理想情况下产生的，实际上，在产生霍尔效应的同时，还伴随着各种附效应，所以实验测到的并不等于真实的霍尔电压值，而是包含着各种附效应所引起的附加电压。如图5.1-2所示的不等势电压降，这是由于测量霍尔电压的电极和的位置很难做到在一个理想的等势面上，因此当有电流通过时，既使不加磁场也会产生附加的电压。但附加电压的符号只与电流的方向有关，与磁场的方向无关，因此，对此附加电压可通过改变的方向予以消除。

除此而外还存在由热电效应和热磁效应所引起的各种附效应，不过，这些附效应基本上都与和的方向有关，均可通过对称测量法，即改变和的方向加以消除。即在规定了电流和磁场的正、负方向后，分别测量由下列四组不同方向的和组合的，即:

然后求、、和的代数平均值

(5.1-6)

通过上述的测量方法，基本上可以消除附效应，这可由曲线来验证。

3.仪器简介:

本实验仪器由两部分组成:测试仪和实验仪。

(1) 实验仪介绍

实验仪由两部分组成(见图5.1-3、图5.1-5)

①样品架及电磁铁

磁体线包绕向为顺时针(操作者面对实验仪)。根据线包绕向及励磁电流的方向，可确定磁感应强度的方向，而的大小与的关系由线包上所标决定。一般HB>3.00高斯/安培或特斯拉/安培。

样品为半导体硅单晶片，固定在样品架一端(不可用手去触摸)。其几何尺寸如图5.1-4:厚度:，宽度，AC电极间距。

样品共有三对电极，其中、或、用于测量霍尔电压;、或、用于测量电导;、为样品工作电流电极。

样品架有、方向调节功能及读数装置，可调节样品在磁场中的位置。

②三个双刀开关

、为、IM换向开关;为VH、测量选择开关。IS、IM、VH、与、、的连线见图5.1-3。

(2) 测试仪介绍:

测试仪面板如图5.1-5所示。测试仪由两部分组成:

①两组恒流源

"输出"为样品(霍尔元件)工作电流源。"输出"为励磁电流源。两组电源彼此独立，其输出大小分别由调节旋钮及调节旋钮调节，其值通过"测量选择"按键由同一只数字电流表进行观测。"测量选择"键按下为，弹起为。接至霍尔效应实验仪中换向开关，接至霍尔效应实验仪中换向开关(切不可接错)。

②直流数字电压表

VH为通过A、A`电极测得的样品霍尔电压。为通过A、C电极测得的样品电压，用以计算样品电导率。VH、通过测试仪上切换开关由同一数字电压表进行观测。当VH、输入为零时(输入线短接)，由调零旋钮对电压表进行零位调节。当显示器的数字前出现"-"号时，表示被测电压极性为负值。实验时将霍尔效应实验仪中开关接至测试仪中的VH、输入端。

内容及步骤

1. 仪器调整

(1)按图连接、检查线路，并调节样品支架，使霍尔片位于磁场中间;

(2)逆时针将、调节旋钮旋至小;

(3)分别将输出、输出接至实验仪中、换向开关;

(4)用导线将、输入短接，通过调零旋钮将、显示调零

(5)选择、向上关闭为、的正方向。

2. 测量内容

(1)测绘曲线:保持不变，按要求调节，分别测出不同下的四个值，将数据记录在表格中;

(2)测绘曲线:保持不变，测出不同下四个值;

(3)测VAC:取，在零磁场下()测，则VAC=10;

(4)确定样品导电类型:选、为正向，根据所测得的的符号,判断样品的导电类型

数据处理

1.磁感应强度(特斯拉)

H标在线包上。作曲线，由曲线求出，带入，计算出霍尔系数;

2.计算载流子浓度n

(m-3)， 其中e为电子电量 库仑;

3. 绘制曲线

在坐标纸上绘出曲线;

4. 计算电导率(安/伏米)，及迁移率(米2/伏秒)。

【设计内容】

1.根据霍尔效应，测量磁感应强度原理，利用提供的仪器测试所给模型测量面上的一维(上下方向)磁分布。

测量要求:描绘磁场分布(B-X曲线)研究所记录的磁与数字信号,(设计表格,在坐标纸上作曲线,写出实验步骤)表示出模拟量与数字信号的对应关系。

2.测量电磁铁间隙及其周围的磁场分布。

测量要求:首先考虑如何采点，将测量结果分别用表格和曲线表示。

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