050311220徐雨 半导体光生伏特效应及其应用
半导体的光生伏特效应及其应用
050311220 徐雨
摘要：现在广泛应用的太阳电池和各种以光敏元件为基础的光电探测器都是在内光电效应的基础上研制、开发出来的。光照使半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程，半导体吸收光能在PN 结区产生电动势。 关键字：半导体 光吸收 能带结构 PN 结 内光电效应 光生伏特效应
背景：太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT 、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。
理论基础：
一．半导体光学性质
如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收。半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：
()01x x I I r e α-=-
式中，x I 表示距离表面x 远处的光强；0I 为入射光强；r 为材料表面的反射率；α为材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。
本征吸收
半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。
要发生本征光吸收必须满足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于
禁带宽度g E ，即g h E ν≥，从而有：
00 1.24g g g E h hc E m eV E νλμ≥?≤=?
其中h 是普朗克常量，ν是光的频率．c 是光速，ν0：材料的频率阈值，λ0：材料的波长阈值，下表列出了常见半导体材料的波长阀值。 非本征吸收
非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收等。
杂质吸收
杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外
区。
自由载流子吸收
导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。
激子吸收
价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。
半导体的光学性质有如下特点：
⑴ 绝缘体的禁带宽度大，纯净的离子晶体大致为几个电子伏特以上，三氧化二铝为9eV ，氯化钠为8eV ，所以从可见光到红外区不会发生光吸收，是透明的，但对紫外光不透明。
⑵ 掺杂后造成部分较低的局域能级，如Cr3＋有未充满的电子组态3d54s1，形成局域能级（1.7eV ），可以吸收较高能量的光（蓝、绿光），造成氧化铝显红颜色。
二．半导体的能带结构
按照量子力学理论,由于物质内原子间靠得很近,彼此的能级会互相影响,而使原子能级展宽成一个个能带。又由于电子是费米子,遵从泡利不相容原理。电子以能量大小为序,从基态开始,每个量子态上一个电子向上填充,直填到费米能F ε为止。再上面的能级都是空的。被电子填满的能带叫满带。满带中的电子如同很多人挤在一个狭小的空间,谁也动不了。所以,虽然有许多电子,但是不能形成定向移动,因而满带中的电子不是载流子,是不能导电的。全部空着的能带称为
空带。能带间的间隔叫带隙(用g E 表示)或禁带,禁带不允许有电子存在。图所示
的是导体、绝缘体、半导体的能带结构示意图。如图 (a)所示,导体的费米能级F ε在一个能带的中央,该能带被部分填充。由于能带的亚结构之间的能量相差很小,因此这时只需很少的能量(如一外加电场),就能把电子激发到空的能级上,形成定向移动的电流。这正是具有这种能带结构的物质被称为导体的原因。
能带刚好被填满,它与上面的空带间隔着一个禁带,此时大于带隙间隔的能量才能把电子激发到空带上去。一般带隙较大(大于10eV 数量级)的物质,被称为绝缘体,如图(b)所示;而带隙较小(小于1eV 数量级)的物质,被称为半导体,如图(c)所示。半导体的费米能级位于满带与空带之间的禁带内,此时紧邻着禁带的满带称为价带,而上面的空带称为导带。如果由于某种原因将价带顶部的一些电子激发到导带底部,在价带顶部就相应地留下一些空穴,从而使导带和价带都变得可以导电了。所以半导体的载流子有电子和空穴两种。可见,半导体介于导体与绝缘体之间的特殊的导电性是由它的能带结构决定的。
三．半导体的内光电效应
当光照射到半导体表面时,电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。
从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光
的极限能量,即0g E hv E λ==,其中0v 是低频限(即极限频率0g v E h =)。这个关系
也可以用长波限表示,即0g hcE λ=。入射光的频率大于0v 或波长小于0λ时,才会
发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间跃迁。广义地说,这也是一种 光电效应。这些效应,可以由半导体材料对光波的吸收谱线来观察和分析。
四．半导体材料的掺杂与PN 结的形成
半导体材料硅(Si)和锗(Ge)都是第Ⅳ主族元素,每个电子的4个价电子与近邻的4个原子的一个价电子形成共价键。如图 (a)所示。
这些价电子就是处在价带中的电子。纯净的半导体材料结构比较稳定,在室温下只有极少数电子能被激发到禁带以上的导带中去,形成电子——空穴对的载流子。但如果将纯净的半导体材料中掺入微量的杂质,就可以使半导体的导电性能大大改观。同时还可以通过掺杂来控制和改变半导体的导电性和其它性能,丰富半导体的应用。半导体掺杂主要有两种类型。
一种是在纯净的半导体中掺入微导体、绝缘体及半导体的能带结构
量的第Ⅴ主族杂质,如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等。当它们在晶格中替代硅原子后,它的五个价电子除了四个与近邻的硅原子形成共价键外,还多出一个电子吸附在已成为带正电的杂质离导带F 禁带周围,如图(b)所示。这种提供电子的杂质叫施主杂质。
量子理论分析的结果表明,此时将在靠近半导体导带下边缘的禁带中产生一个施主能级,如图所示。此能级与导带底能隙很小,室温下其上的电子也可大量激发到导带上去,形成载流子。这种主要依靠施主杂质提供电子导电的半导体,叫N 型半导体。它的多数载流子(简称多子)是电子,少数载流子(简称少子)是空穴。另一种掺杂是在纯净半导体中掺入微量第Ⅲ主族杂质,如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)等。此时会形成如图(c)所示的接受电子的受主杂质。这也相当于提供了一个空穴。这种掺杂产生的受主能级在靠近价带上边缘的禁带中。室温下价带中的电子可以大量激发到受主能级上去,而在价带中留下正载流子——空穴,如图(b)所示。这种主要依靠受主杂质提供的空穴导电的半导体叫P 型半导体。其多子是空穴,少子是电子。如果一块半导体材料中,一部分P 型区紧邻着另一部分N 型区,如图(a)所示,由于两个区域的多子类型不同,某区域内浓度高的载流子要向另一个区域扩散。即P 区的多子空穴向N 区扩散,而N 区的多子电子向P 区扩散。直至在接触面附近形成一个由N 区指向P 区的内建场阻止电荷的继续扩散,达到动态平衡。如图(b)所示。此时在两区交界处就形成了PN 结。
五．PN 结光伏效应的光电转换机制
施主、受主能级
PN 结的形成
半导体PN 结的光生伏特效应是指半导体吸收光能在PN 结区产生电动势的效应。它的主要光电转换过程如下:当用光子能量g hv E (g E 为带隙间隔)的入射
光照射半导体PN 结时,半导体内的电子吸收能量,可激发出电子——空穴对。这些非平衡载流子如果运动到PN 结附近,就会在PN 结内建电场E 内的作用下分离。电子逆着E 内的方向向N 区运动,而空穴沿着E 内的方向向P 区移动,如图所示。结果在N 区边界积累了电子,在P 区边界积累了空穴,如图所示。这样就产生了一个与平衡态PN 结内建场方向(由N 区指向P 区)相反的光生电场(由P 区指向N 区),即在P 区与N 区间建立了光生电动势。这样就把光能转化成了电能。若在两极间接上负载,则会有光生电流通过负载。
应用：
现在广泛应用的太阳电池和各种以光敏元件为基础的光电探测器都是在内光电效应的基础上研制、开发出来的。还有硅光电池，硅光电二极管，硅光电三极管。其中硅光电池分为太阳光电池和测量光电池。太阳光电池主要用作电源，转换效率高、成本低，测量光电池主要功能是作为光电探测用，光照特性的线性度好。
太阳电池的基本结构是:把一个大面积PN 结做好上下电极的接触引线就构成一个太阳电池。为更好地接受日光照射,正面电极不能遮光,常做成栅状。为了减少入射光的反射,一般在表面层上再做一层减反射膜,表面层下是PN 结,底电极一般做成大面积的金属板。如图所示
PN 结光伏效应的光电转换机制
PN结光伏效应的一个重要的应用是利用光照射时,PN结产生的光生电压制造把太阳光能转化成电能的器件——太阳电池。制造太阳电池的材料主要有硅、硫化镉和砷化镓等。现在仍有很多新型高效材料正在研究实验中。目前,太阳电池的应用已十分广泛。它已成为宇宙飞船、人造卫星、空间站的重要长期电源。在其它方面的应用也十分普遍。关于目前国内外太阳电池电源设备应用的情形简介如下:
航空运输——飞机、机场灯标、航空障碍灯、地对空无线电通讯…
气象观测——无人气象站、积雪测量计、水位观测计、地震遥测仪…
航线识别——航标灯、浮子障碍灯、灯塔、潮流计…
通讯设备——无线电通讯机、步谈机、电视广播中继站…
公路铁路——无人信号灯、公路导向板、障碍闪光灯、备急电话…
日常生活——照相机、手表、野营车、游艇、手提式电视机、闪光灯
结论：
本文对半导体内光电效应的现象及规律部分的内容进行了探讨和补充，介绍了半导体光电效应的种类，并对内光电效应的应用进行了解。本文还重点对半导体中的光电效应的应用进行介绍外，其中详细的解释了PN 结的行成，光伏效应，光电转换机制。在对光电效应的应用进行介绍中，还对其工作原理和特性进行了
分析。
通过这一次论文让我更加熟悉了半导体的很多知识，其中掌握了半导体的基础知识，还对半导体的应用尤其光伏特性太阳能进行了解，并认识了光伏探测器和光电探测器的原理。在对该课题的研究的过程中，我学会了认真思考问题，并且有了严谨的思维，对半导体内光电效应的光生伏特效应有了更新的认识。
创新：
可以利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探测器，PN 结受到光照时，可在PN 结的两端产生光生电势差。产生了一个与平衡态PN 结内建场方向(由N 区指向P 区)相反的光生电场(由P 区指向N 区),即在P 区与N 区间建立了光生电动势。
光照下的PN 结电流方程及伏安特性 电流方程：
第一象限：普通二极管。
第二象限：光电探测器 ，这个区域没有意义。
第三象限：光电导模式，光电二极管，这个区域重要意义。
第四象限：光伏模式，第四象限是光电池的工作区域。 ()/0p
1eU kT I I e I =--光照下PN 结伏安特性
磁光材料简介
磁光材料的研究现状 1. 综述 磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。 法拉第效应 法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。 6 f = VBd| 其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，|e t <0；反之，偏振面左旋，阡>0。 与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。 目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。以钇铁石榴石（￥才忧0口，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（R材料是常见的法拉第效应磁光材料 ［1］。 磁光克尔效应 磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角戸。根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，° k随入射角的减小而增大； 横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化； 纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。 应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁 畴分布。 塞曼效应
霍尔效应实验报告98010
霍尔效应与应用设计 摘要：随着半导体物理学的迅速发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。本文主要通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。 关键词：霍尔系数，电导率，载流子浓度。 一．引言 【实验背景】 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，称为霍尔效应。 如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且随着电子技术的发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽（高达10GHz ）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。 【实验目的】 1． 通过实验掌握霍尔效应基本原理，了解霍尔元件的基本结构； 2． 学会测量半导体材料的霍尔系数、电导率、迁移率等参数的实验方法和技术； 3． 学会用“对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 4． 学习利用霍尔效应测量磁感应强度B 及磁场分布。 二、实验内容与数据处理 【实验原理】 一、霍尔效应原理 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。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电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。如图1所示。当载流子所受的横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 B e eE H v = 其中E H 称为霍尔电场，v 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽度为b ， ? a
厚度为d ，载流子浓度为n ，则 bd ne t lbde n t q I S v =??=??= d B I R d B I ne b E V S H S H H =?= ?=1 比例系数R H =1/ne 称为霍尔系数。 1． 由R H 的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。 2． 由R H 求载流子浓度n ，即 e R n H ?= 1 （4） 3． 结合电导率的测量，求载流子的迁移率μ。 电导率σ与载流子浓度n 以及迁移率μ之间有如下关系 μσne = （5） 即σμ?=H R ，测出σ值即可求μ。 电导率σ可以通过在零磁场下，测量B 、C 电极间的电位差为V BC ，由下式求得σ。 S L V I BC BC s ?= σ（6） 二、实验中的副效应及其消除方法： 在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的霍尔电极A 、A′之间的电压为V H 与各副效应电压的叠加值，因此必须设法消除。 （1）不等势电压降V 0 如图2所示，由于测量霍尔电压的A 、A′两电极不可能绝对对称地焊在霍尔片的两侧，位置不在一个理想的等势面上，Vo 可以通过改变Is 的方向予以消除。 （2）爱廷豪森效应—热电效应引起的附加电压V E 构成电流的载流子速度不同，又因速度大的载流子的能量大,所以速度大的粒子聚集的一侧温度高于另一侧。电极和半导体之间形成温差电偶,这一温差产生温差电动势V E ，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延好森效应来不及建立，可以减小测量误差。 （3）能斯托效应—热磁效应直接引起的附加电压V N
霍尔效应实验方法
实验: 霍尔效应与应用设计 [教学目标] 1. 通过实验掌握霍尔效应基本原理，了解霍尔元件的基本结构； 2. 学会测量半导体材料的霍尔系数的实验方法和技术； 3. 学会用“对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 [实验仪器] 1.TH －H 型霍尔效应实验仪，主要由规格为>2500GS/A 电磁铁、N 型半导体硅单晶切薄片式样、样品架、I S 和I M 换向开关、V H 和V σ（即V AC ）测量选择开关组成。 2.TH －H 型霍尔效应测试仪，主要由样品工作电流源、励磁电流源和直流数字毫伏表组成。 [教学重点] 1． 霍尔效应基本原理； 2． 测量半导体材料的霍尔系数的实验方法； 3． “对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 [教学难点] 1． 霍尔效应基本原理及霍尔电压结论的电磁学解释与推导； 2． 各种副效应来源、性质及消除或减小的实验方法； 3． 用最小二乘法处理相关数据得出结论。 [教学过程] （一）讲授内容： (1)霍尔效应的发现： 1879，霍尔在研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现： “电流通过金属，在磁场作用下产生横向电动势” 。这种效应被称为霍尔效应。 结论：d B I ne V S H ?=1 (2)霍尔效应的解释： 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。这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。当载
流子所受的横电场力H e eE f =与洛仑兹力evB f m =相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡， B e eE H v = （1） bd ne I S v = （2） 由 （1）、（2）两式可得： d B I R d B I ne b E V S H S H H =?= ?=1 （3） 比例系数ne R H 1=称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数， (3) 霍尔效应在理论研究方面的进展 1、量子霍尔效应(Quantum Hall Effect) 1980年，德国物理学家冯?克利青观察到在超强磁场（18T ）和极低 温(1.5K ）条件下,霍尔电压 UH 与B 之间的关系不再是线性的，出现一 系列量子化平台。 量子霍尔电阻 获1985年诺贝尔物理学奖！ 2、分数量子霍尔效应 1、1982年，美国AT&T 贝尔实验室的崔琦和 斯特默发现：“极纯的半导体材料在超低温(0.5K) 和超强磁场(25T)下，一种以分数形态出现的量子电 阻平台”。 2、1983 年，同实验室的劳克林提出准粒子理 论模型，解释这一现象。 获1998年诺贝尔物理学奖 i e h I U R H H H 1 2?==3,2,1=i
磁光效应及其应用_周静
１７卷５期（总１０１期） １９世纪中至２０世纪初是科学发现的黄金时 期，各领域的伟大发现如雨后春笋般涌出，若干种对于了解固体物理特性并揭示其内部电子态结构有着重要意义的磁光效应现象也相继被发现，但至２０世纪６０年代末，对这一现象的研究主要集中在基础理论的探索和实验数据的积累方面。近几十年来，当光电子技术在新兴高科技领域获得日益广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的各种磁光器件也显示了其独特的性能和极为广阔的应用前景，并引起了人们浓厚的兴趣。 一、磁光效应（Ｍａｇｎｅｔｉｃ－ｏｐｔｉｃａｌＥｆｆｅｃｔ）磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。１８４５年，英国物理学家法拉第（Ｆａｒａｄａｙ）发现，入射光线在被磁化的玻璃中传播时，其偏振面会发生旋转，这是物理学史上第一次发现的磁光效应，称之为法拉第效应。受法拉第效应的启发，１８７６年克尔（Ｋｅｒｒ）又发现了光在磁化介质表面反射时偏振面旋转的现象，即磁光克尔效应。随之在八九十年代又发现了塞曼效应和磁致线双折射效应。 法拉第效应当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象称为磁致旋光效应，这一效应最早由法拉第发现，通常又称为法拉第旋转效应。如图１所示，假设有一圆柱形磁光介质，沿着轴线方向外加一稳恒磁场Ｈ（此磁场值处在法拉第旋转器件的工作区内）。在这种情况下，将发生法拉第旋转效应，光波的偏振面绕传输轴连续右旋（相对于Ｈ而言），直至磁光介质的终端，偏振面右旋了某一角度!。 法拉第效应可分为右旋和左旋两种：当线偏振光沿着磁场方向传播时，振动面向左旋；当光束逆着磁场方向传播时，振动面将向右旋。 磁光克尔效应磁光克尔效应指的是一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光，而以椭圆的长轴为标志的“ 偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。这个角度通常被称为克尔转角，记作"ｋ，如图２所示。 按照磁化强度取向磁光克尔效应又大致分为三种情况：（１）极向克尔效应，即磁化强度Ｍ与介质表面垂直时的克尔效应；（２）横向克尔效应，即Ｍ与介质表面平行，但垂直于光的入射面时的克尔效应；（３）纵向克尔效应，即Ｍ既平行于介质表面又平行于光入射面时的克尔效应。在磁光存储技术中主要应用的是极向克尔效应。 塞曼效应１８８６年，塞曼（Ｚｅｅｍａｎ）发现当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂为几条具有完全偏振态的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，后人称此现象为塞曼效应。 塞曼效应证实了原子具有磁矩和在磁场空间取向量子化，从塞曼效应的实验结果可以推断能级分裂的情况，根据光谱线分裂的数目可以知道量子数 Ｊ的数值，根据光谱线分裂的间隔可以测量ｇ因子 的数值，因此，塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。 磁致线双折射效应磁致线双折射在磁光晶体 的光学研究中也会经常遇到。构成介质的分子有各 磁光效应及其应用 周静 王选章 谢文广 图１法拉第效应 图２ 克尔效应 ?４５ ?
磁光材料简介
磁光材料的研究现状 1.综述 磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。 1.1法拉第效应 法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。 其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，<0；反之，偏振面左旋，>0。 与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。 目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。以钇铁石榴石（，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（）材料是常见的法拉第效应磁光材料[1]。 1.2磁光克尔效应 磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角。根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，随入射角的减小而增大； 横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化； 纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。 1 / 8
应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁畴分布。 1.3塞曼效应 塞曼效应指光源位于强磁场中时，分析其发光的谱线，发现原来的一条谱线分裂成三条或更多条。原子位于强磁场中时，破坏自旋-轨道耦合，一个能级分裂成多个能级，而且新能级间有一定的间隔，能级的分裂导致了谱线的分裂。能级分裂的方式与角量子数J和朗德因子g有关。 塞曼效应证明了原子具有磁矩，而且磁矩的空间取向量子化。塞曼效应可应用于测定角量子数和朗德因子，还可分析物质的元素组成。 1.4磁致线双折射效应 磁致线双折射效应指透明介质处于磁场中时，表现出单轴晶体的性质，光线入射能产生两条折射线。在铁磁和亚铁磁体中的磁致线双折射效应称作科顿-穆顿效应，反铁磁体中的磁致线双折射效应称作瓦格特效应[2]. 磁致线双折射效应可用于测量物质能级结构，研究单原子层磁性的微弱变化等2.研究现状 本章将介绍多种磁光材料的前沿应用和理论研究，并结合本人所学知识给出相应的评价和启发。个人评价用加粗字体给出。 2.1利用法拉第效应进行焊接检测[3] 根据法拉第效应，偏振光通过磁场中的介质后，偏振面转过一定角度，通过偏振角一定的偏振片后，就会表现为不同的亮度。工作时，将光源、起偏器、反射镜、直流电磁铁、光反射面、磁光薄膜、检偏器、CMOS成像装置和焊件按图1组装。 2 / 8
实验三半导体的霍尔效应
实验三半导体的霍尔效应 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产 生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于 1879年发现的，后被称为霍 尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段， 而且利用该效应制成的 霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、 自动控制和信息处理等方面。 在工业生产要求自动检 测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件， 将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实 用性的实验，对日后的工作将有益处。 、实验目的 1?了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 .学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的 .确定载流子浓度以及迁移率。 实验仪器 霍尔效应实验组合仪。 实验原理 图1.1霍尔效应实验原理示意图 a ）载流子为电子（N 型） b ）载流子为空穴（P 型） 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。 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电流和磁场方向上产生正 若在X 方向通以电流Is ，在Z 方向加磁场B ，则在丫方向即试样A-A / 电极两侧就开始聚 集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。对图 1.1 （a ）所 V H-I S > V H I M 曲线。 负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场 E H 。如图1.1所示的半导体试样, b a
V H I 1°8 R H = |S B 8 上式中的1°是由于磁感应强度 B 用电磁单位（高斯）而其它各量均采用 CGS 实用单位而 引入。 率之间有如下关系: (1-5) 示的N 型试样，霍尔电场逆 丫方向，（b ）的P 型试样则沿丫方向。即有 （N 型） （P 型） E H (Y) 0 E H (Y) 0 显然，霍尔电场 洛仑兹力 evB 相等, E H 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力 eE H 与 样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故 eE H eVB (1-1) E H 为霍尔电场， b,厚度为d ，载流子浓度为 I S nevbd 其中 设试样的宽为 v 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。 n ，则 (1-2) 由(1-1 )、( 1-2 ) 两式可得: V H E H b 丄上B ne d (1-3) 即霍尔电压 V H （A 、A 电极之间的电压） 'S B 乘积成正比与试样厚度 d 成反比。 比例系数 R H 丄 ne 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 V H （伏）以及知道 I S （安）、B （高斯）和d （厘米）可按下式计算 R H （厘米2 3 /库仑）： (1-4) V A 'A °，即点A 点电位高于点 A'的电位，则R H n （2）由F H 求载流子浓度n 。即 1 R H ?。应该指出，这个关系式是假定所有载流子 都具有相同的漂移速度得到的，严格一点，如果考虑载流子的速度统计分布，需引入 修正因子（可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》 （3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率 。电导率 与载流子浓度 3 8的 n 以及迁移 ne
磁光效应实验报告讲解
磁光效应实验报告 班级：光信息31 姓名：张圳 学号：21210905023 同组：白燕，陈媛，高睿孺
近年来，磁光效应的用途愈来愈广，如磁光调制器，磁光开关，光隔离器，激光陀螺中的偏频元件，可擦写式的磁光盘。所以掌握磁光效应的原理和实验方法非常重要。 一．实验目的 1.掌握磁光效应的物理意义，掌握磁光调制度的概念。 2.掌握一种法拉第旋转角的测量方法（磁光调制倍频法）。 3.测出铅玻璃的法拉第旋转角度θ和磁感应强度B之间的关系。二．实验原理 1. 磁光效应 当平面偏振光穿过某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表面其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第（Faraday）效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即： θ（9-1） = vlB 式中l为光波在介质中的路径，v为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德常数，它是表征物质的磁致旋光特性的重要参数。根据旋光方向的不同(以顺着磁场方向观察)，通常分为右旋(顺时针旋转)和左旋(逆时针旋转)，右旋时维尔德常数v>O，左旋时维尔德常数v<0。实验还指出，磁致旋光的方向与磁场的方向有关，由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏振等功能性磁光器件，在激光技术发展后，其应用价值倍增。如
用于光纤通讯系统中的磁光隔离器等。 2.在磁场作用下介质的旋光作用 从光波在介质中传播的图象看，法拉第效应可以做如下理解：一束平行于磁场方向传播的线偏振光，可以看作是两束等幅左旋和右旋圆偏振光的迭加。这里左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。 图3 法拉第效应的唯象解释 如果磁场的作用是使右旋圆偏振光的传播速度c / n R 和左旋圆偏振光的传播速度c / n L 不等，于是通过厚度为d 的介质后，便产生不同的相位滞后： d n R R λπ ?2= ， d n L L λ π?2= （2） 式中λ 为真空中的波长。这里应注意，圆偏振光的相位即旋转电矢量的角位移；相位滞后即角位移倒转。在磁致旋光介质的入射截面上，入射线偏振光的电矢量E 可以分解为图3(a)所示两个旋转方向不同的圆偏振光E R 和E L ，通过介质后，它们的相位滞后不同，旋转方向也不同，在出射界面上，两个圆偏振光的旋转电矢量如图5.16.3(b)所示。当光束射出介质后，左、右旋圆偏振光的速度又恢复一致，我们又可以将它们合成起来考虑，即仍为线偏振光。从图上容易看出，由介质
霍尔效应及用其理论测量半导体材料的性能
本科毕业论文 题目：霍尔效应及用其理论测量 半导体材料的性能 学院：物理与电子科学院 班级： 09级物理二班 姓名：闫文斐 指导教师：付仁栋职称：讲师完成日期： 2013 年 5 月 15 日
霍尔效应及用其理论测量 半导体材料的性能 摘要：简述了霍尔效应的基本原理，测量判定半导体材料的霍尔系数，确定半导体材料的导电类型、载流子浓度及迁移率。因此，霍尔效应时研究半导体性质的重要实验方法。分析了利用霍尔效应测量半导体特性参数中影响的重要副效应，给出了减小或消除这些副效应的方法，并在实验中，对实验仪器进行了一定得改进，使实验更有利于操作。 关键字：霍尔效应；半导体；副效应；载流子；改进
目录 引言 (1) 1. 霍尔效应 (2) 1.1霍尔效应的基本原理 (2) 1 .2 霍尔电势差和磁场测量 (3) 2. 实验内容 (5) 2.1 确定霍尔元件的导电类型 (5) 2.2 霍尔灵敏度、霍尔系数、载流子浓度的测量 (6) 2.3实验数据的处理 (6) 3. 误差分析 (8) 3.1主要误差及原因 (8) 3.2 消除误差的方法 (9) 4. 实验的改进 (10) 4.2 霍尔元件载流子迁移率μ和电导率σ的测量 (11) 5. 结束语 (11) 致谢 (11) 参考文献 (11)
引言 霍尔效应是电磁效应在实验中的应用的一中，这是美国的一位伟大的物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）发现的，于1879年在探索金属的导电原理时偶然发明的。将载流霍尔元件置于与其垂直的磁场B中，板内出现的磁场会与电流方向垂直，同样的，板的两边就会出现一个横向电压（如图1）。在霍尔发现的100年后，1985年德国克利青( K laus von K litzing，1943-)等研究极低温度和强磁场中的半导体时发现量子霍尔效应获得诺贝尔奖。1998年华裔科学家崔琦（Daniel Chee Tsui，1939-）、斯坦福大学的美国物理学家劳克林（Robert https://www.360docs.net/doc/c014299566.html,ughlin，1950-）和哥伦比亚大学的施特默（Horst L.Stormer，1949-）在更强磁场下研究量子霍尔效应，因为发现分数量子霍尔效应而荣获诺贝尔奖。 霍尔效应原本的发现是在对金属的研究中, 但在科学发展到现在，却发现该效应在半导体中的应用更加突出, 所以在半导体的研究中一直以来提供非常重要的理论依据。本文通过霍尔效应测量，不仅判别了半导体材料的导电类型，霍尔系数、载流子浓度及迁移率和电导率等主要的半导体材料的特性参数。并在分析操作中因受各种副效应的影响，带来的测量准确度的影响，如何避免这些副效应的影响也是很必要的。因此，本文还对我们的实验元件做了很好的改进，可以通过实验测量的方法直接得到我们所需要的迁移率和电导率。
实验三 半导体的霍尔效应
实验三 半导体的霍尔效应 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。 一、实验目的 １．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 ２．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的V H -I S 、曲线。 ３．确定载流子浓度以及迁移率。 二、实验仪器 霍尔效应实验组合仪。 三、实验原理 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。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电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。如图1.1所示的半导体试样， 若在X 方向通以电流 ，在Z 方向加磁场，则在Y 方向即试样 A-A / 电极两侧就开始聚 集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。对图 1.1（a ）所 M H I V -H E S I B X Y Z
示的N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，（b ）的P 型试样则沿Y 方向。即有 显然，霍尔电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力与洛仑兹力相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故 （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。 设试样的宽为b ，厚度为d ，载流子浓度为n ，则 (1-2) 由（1-1）、（1-2）两式可得： (1-3) 即霍尔电压（A 、A ／ 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）、（高斯）和（厘米）可按下式计算（厘米3 ／库仑）： R H ＝ （1-4） 上式中的10是由于磁感应强度用电磁单位（高斯）而其它各量均采用CGS 实用单位而 引入。 2．霍尔系数与其它参数间的关系 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）判断样品的导电类型。判别的方法是按图1.1所示的I 和B 的方向，若测得的即点点电位高于点的电位，则为负，样品属N 型；反之则为P 型。 （２）由R H 求载流子浓度n 。即 。应该指出，这个关系式是假定所有载流子 都具有相同的漂移速度得到的，严格一点，如果考虑载流子的速度统计分布，需引入的 修正因子（可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》）。 （3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率。电导率与载流子浓度n 以及迁移 率 之间有如下关系： (1-5) )(P 0)() (N 0)(型型?>? 实验PN结光生伏特效应 一、实验目的 测量硅太阳电池的光谱响应特性，及进行数据处理，使学生掌握pn结光伏效应，了解影响光伏效应的因素； 增强学生对光伏效应的应用及对实际器件性能的理解，并提高学生实验研究和设计能力。 二、实验原理 光垂直于PN结结面照射时，能量大于禁带宽度的光子因本征吸收而产生电子-空穴对。势垒区外一个扩散长度内的光生少子，受pn结内建电场的作用被扫到对方，在n区、p区分别形成电子、空穴积累，产生一光生电动势。光生电动势给pn结以正向偏压，于是pn结内部既有由n区指向p区的光生电流I I，同时又有与I I反向的正向电流I I。在稳定光照下，开路pn结内，I I=I I，形成一稳定光生电压。短路情况下，I I=0，光生电流全部流经外电路。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。太阳电池就是此效应最直接的应用，本实验以太阳电池为例对光生伏特效应进行测量。 实验系统如图1所示。 图1 太阳电池测试系统 三、实验内容 测量太阳电池的光谱响应短路电流，开路电压，以及光功率曲线；获得最大电流、电压、功率的光波长。 四、实验仪器与样品 WDF反射式单色仪，光源， 722-2000型分光光度计，微电流仪，光功率计，六位半繁用表。单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池芯片样品。 五、实验步骤 采用722-2000型分光光度计作为单色光源测试 1.打开分光光度计电源开关，预热15分钟以上。 2.被测样品与繁用表串联。将被测样品放入分光光度计的样品室，关闭盖子。打开繁用表电源。 3.按分光光度计“方式”按钮直至“吸光度”标示灯亮；繁用表调至电流测试的“μA”档，开始测试。 4.旋转“波长”旋钮来确定光波长，记录六个以上波长的短路光生电流。 5.被测样品与繁用表并联，繁用表调至电压测试的“mV”档，在上面测量光生电流的波长再记录光生伏特。 6.用光功率计标定上面测试的六组波长λ下的光能量值。 六、数据处理 开路电压、短路电流、功率随光波波长的变化曲线分别如图所示。 霍尔效应 一、简介 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall ，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。 二、理论知识准备 1． 1． 霍尔效应 将一块半导体或导体材料，沿Z 方向加以磁场B ，沿X 方向通以工作电流I ，则在Y 方向产生出电动势H V ，如图1所示，这现象称为霍尔效应。H V 称为霍尔电压。 X (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H V 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 d IB R V H H =(1) 或 IB K V H H =(2) 式（1）中H R 称为霍尔系数，式（2）中H K 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B 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 j eVB B V e B V q F m -=?-=?=(3) 式中V 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。m F 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H E （即霍尔电场），使运动电子受 到一个沿Y 轴正方向的电场力e F ，A 、B 面之间的电位差为H V （即霍尔电压），则 j b V e j eE E e E q F H H H H e ==-==(4) 光生伏特效应 光生伏特效应 英文名称：Photovoltaic effect。光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器）；侧向光生伏特效应（殿巴效应）--(可制作半导体位置敏感器件（反转光敏二极管）传感器）；PN结光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器）。 光电伏特效应概述 1.P-N结 太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性的。如将P型硅或N型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子－空穴对，但在很短的时间内（在μS范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。 当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是P－N结。 至今为止，大多数太阳能电池 厂家都是通过扩散工艺，在P型硅片上形成N型区，在两个区交界就形成了一个P －N结（即N+／P）。太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P－N结。 2.光生伏特效应 如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。 [编辑本段] 光电伏特效应与光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。 光电池基本特性有以下几种： (1)光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池只能为0.38~0.75μm。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 实验三半导体材料的霍尔效应测量实验 1 实验原理 1）霍尔效应 霍尔效应指的是在外加磁场的作用下，给半导体通入电流，内部的载流子受到磁场引起的洛伦兹力的影响，空穴和电子向相反的方向偏转，这种偏转导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的积累，形成附加的横向电场 ，直至电场对载流子的作用力与洛伦兹力抵消，此时的电场强度乘以半导体样品的宽度后，可以得到霍尔电压V H 。 设磁感应强度为B ，电子浓度（假设为n 型半导体）为n ，则电流表达式为I H =nevbd ，而霍尔电压产生的电场为E H =vB 霍尔电压的表达式为: V H =E H b =vBb = I H nebd Bb =1ne I H B d =R H I H B d 其中R H 称为霍尔系数： R H = 1 可以通过V H ,B,I H 的方向可以判断样品的导电类型，通过V H 和I H 的关系曲线可以提取出R H ，进一步还可以得到电子（空穴）浓度。 在实际测量中，还会伴随一些热磁副效应，使得V H 还会附带另外一些电压，给测量带来误差。为了消除误差，需要取不同的I H 和B 的方向测量四组数据求平均值得到V H ，如下表 2) 范德堡法测量电阻率 由于实验使用的霍尔元件可视为厚度均匀、无空洞的薄片，故可使用范德堡法进行电阻率的测量。在样品四周制作四个极小的欧姆接触电极1,2,3,4。如图2所示。 图1霍尔效应原理示意图 先在1、2端通电流，3、4端测电压，可以定义一个电阻 R1=V34 12 然后在2、3端通电流，1、4端测电压，求 R2=V14 23 理论上证明样品的电阻率与R1、R2的关系为 ρ=πd ln2 R1+R2 2 f 可以通过查表可知范德堡因子f与R1/R2的关系，从而求得样品的电阻率。 2实验内容 本实验所用仪器为SH500-A霍尔效应实验仪、恒流电源、高斯计。 实验步骤如下： 1）连线 掌握仪器性能，连接恒流电源与霍尔效应试验仪之间的各组连线。 2）测量霍尔系数，判断样品的导电类型 测量半导体样品的霍尔系数。需要测不同档位组合下的霍尔电压，利用换向法消除霍尔元件的副效应。在励磁电流为400mA情况下，改变霍尔电流的大小，改变档位组合，记录霍尔电压。从5mA 开始，每隔1mA 测量一次U H，一直取到I H= 15mA。 判断样品的导电类型。根据左手定则，可以判断载流子在磁场中受到的洛伦兹力的方向，进而判断出载流子积累的情况，从而得到内建霍尔电场的方向，电场方向表现为霍尔电压的正负。对于P型样品，霍尔电压大于0；反之，对于N型样品，霍尔电压小于0。 3）范德堡法测量电阻率 ①对于1、2、3、4四点，取其相邻两点通入电流，取另外两点测得其电势差。 ②并分别求出其对应的电阻 ③再查表得到其范德堡因子f。 ④求得其电阻率并求平均。 实验建议通入的电流范围为10~15mA，实际操作时，发现超过电压表量程，故在实验过程中，实际通入电流I取低于此范围的值，这并不会对实验结果产生很大的影响。 3 实验数据及分析 附录一范德堡函数表 1000 附录二（范德堡函数表） R1/R2 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 2.60 2.70 2.80 2.90 3.00 3.10 3.20 3.30 3.40 3.50 3.60 3.70 3.80 3.90 4.00 F 1.0000 0.9992 0.9970 0.9940 0.9902 0.9859 0.9812 0.9762 0.9710 0.9657 0.9602 0.9547 0.9492 0.9437 0.9383 0.9328 0.9274 0.9222 0.9169 0.9117 0.9066 0.9016 0.8967 0.8918 0.8870 0.8824 0.8778 0.8733 0.8688 0.8645 0.8602 R1/R2 4.10 4.20 4.30 4.40 4.50 4.60 4.70 4.80 4.90 5.00 5.10 5.20 5.30 5.40 5.50 5.60 5.70 5.80 5.90 6.00 6.10 6.20 6.30 6.40 6.50 6.60 6.70 6.80 6.90 7.00 F 0.8560 0.8519 0.8479 0.8439 0.8400 0.8372 0.8325 0.8287 0.8252 0.8215 0.8181 0.8147 0.8113 0.8080 0.8047 0.8015 0.7980 0.7953 0.7922 0.7892 0.7863 0.7834 0.7805 0.7777 0.7750 0.7722 0.7695 0.7669 0.7643 0.7717 R1/R2 100 10 f 1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 6 附录数据处理简表（建议将数据填写在一张 16K 纸上） 1 长条法测定电阻率和霍尔系数表被测样品尺寸：测试样品电阻率ρ（B＝0）测试值 I56 V13 V24 I56 V31 V42 测量霍尔系数RH （B＝1000，2000GS） I56 I56 V1 I B 长第1次第2次 霍尔效应实验报告 霍尔效应与应用设计 摘要：随着半导体物理学的迅速发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要 方法之一。本文主要通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。 关键词：霍尔系数，电导率，载流子浓度。 一．引言 【实验背景】 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，称为霍尔效应。 如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且随着电子技术的发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽（高达10GHz）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。 【实验目的】 1． 通过实验掌握霍尔效应基本原理，了解霍尔元件的基本结构； 2． 学会测量半导体材料的霍尔系数、电导率、迁移率等参数的实验方法和技术； 3． 学会用“对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 4． 学习利用霍尔效应测量磁感应强度B 及磁场分布。 二、实验内容与数据处理 【实验原理】 一、霍尔效应原理 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。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电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。如图1所示。当载流子所受的横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 B e eE H v = 图1. 霍尔效应原理示意图，a ）为N f e f m v -e E H A / A B C I S V mA B ? a +e E H f e f m v I S B ? b l d b 半导体材料的霍尔效应 实验十七 半导体材料的霍尔效应 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall ，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应。这一效应对金属来说并不显著,但对半导体非常显著。利用这一效应制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验能测定半导体材料的霍尔系数，从而判断样品的导电类型，计算出载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。 【预习思考题】 1．霍尔效应是如何产生的? 2．霍尔元件的材料如何选取? 【实验目的】 １．了解霍尔效应实验原理及霍尔元件有关参数的含义和作用； ２．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，并测绘样品的S H I V -和M H I V -曲线； ３．会确定样品的导电类型、载流子浓度及迁移率。 【实验仪器】 ＴＨ－Ｈ型霍尔效应实验组合仪。 【实验原理】 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伦兹力作用而引起的偏转。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电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场)(H E ? 。如图1所示的半导体样品，若沿X 方向通 以电流S I ，沿Z 方向加磁场B ? ，则样品中的载流 子将受洛伦兹力的作用 B v q F B ????= （1） 在Y 方向即样品 A 、A / 电极两侧聚集等量异号 电荷，从而产生霍尔电场)(H E ? 。电场的方向取决于样品的导电类型。对N 型（即载流子为电子）样品（图1a ），霍尔电场逆Y 方向， P 型（即载流子为空穴）样品则沿Y 方向（图1b ），有： 图1 霍尔效应实验原理示意图 a)载流子为电子（N 型） b ）载流子为空穴（P 型） a S I H E A ' A C ' C B F E F v e +B F E F e -v A ' A C ' C S I H E b d l V mA X Y Z b ＋ － 实验十七 半导体材料的霍尔效应 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall ，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应。这一效应对金属来说并不显著,但对半导体非常显著。利用这一效应制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验能测定半导体材料的霍尔系数，从而判断样品的导电类型，计算出载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。 【预习思考题】 1．霍尔效应是如何产生的? 2．霍尔元件的材料如何选取? 【实验目的】 １．了解霍尔效应实验原理及霍尔元件有关参数的含义和作用； ２．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，并测绘样品的S H I V -和M H I V -曲线； ３．会确定样品的导电类型、载流子浓度及迁移率。 【实验仪器】 ＴＨ－Ｈ型霍尔效应实验组合仪。 【实验原理】 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伦兹力作用而引起的偏转。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电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场)(H E 。如图1所示的半导体样品，若沿X 方向通以电流S I ，沿Z 方向加磁场B ，则样品中的载流子将受洛伦兹力的作用 X Y Z B v q F B ?= （1） 在Y 方向即样品 A 、A / 电极两侧聚集等量异号电荷，从而产生霍尔电场)(H E 。电场的方 向取决于样品的导电类型。对N 型（即载流子为电子）样品（图1a ），霍尔电场逆Y 方向， P 型（即载流子为空穴）样品则沿Y 方向（图1b ），有： ) (P 0)() (N 0)(型型?>?半导体光生伏特效应
霍尔效应原理与实验
光生伏特效应
实验三 半导体霍尔效应测量实验
半导体霍尔效应(精)
霍尔效应实验报告
半导体材料的霍尔效应
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