物理实验半导体的霍尔系数与迁移率
大学物理实验--霍尔效应实验报告
误 思考题：霍尔元件为什么选用半导体薄片？
差 答：霍尔效应，一般在半导体薄片的长度方向上施加磁感应强度为 B 的磁场，则在宽度方向上会产生
分 电动势 UH，这种现象即称为霍尔效应。UH 称为霍尔电势，其大小可表示为： UH=RH/d*I*B，RH 称为
析 霍尔系数，由导体材料的性质决定；d 为导体材料的厚度，I 为电流强度，B 为磁感应强度。 设 RH/d=K,
实验报告模板
实验题目：
霍尔效应实验
学
姓名
实验日期
号
1. 了解霍尔效应的物理过程。
实 2. 学习用对称测量法消除负效应的影响，测量试样的霍尔电压。 验 3. 确定试样的导电类型，载流子浓度以及迁移率。 目
的
将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B 的方向沿 z 轴方向)，当沿 y 方向的电极 、 ′上施加
电流 I 时，薄片内定向移动的 载流子(设平均速率为 u)受到洛伦兹力的作用。无论载流子是负电荷
还是正电荷，均在洛伦兹力的作用下，载流子发生偏移，产生电荷积累，从而在薄片 、 ′两侧产 生一个电位差，形成一个电场 E。电场使载流子又受到一个与洛伦兹力方向相反的电场力。达到稳定 状态时，两力相等。此时两侧的电压称为霍尔电压。
实 验 原 理
1. 开机调零 2. 正确接线
实 3. 保存接线状态 验 4. 零磁场条件下，测量不等位电压 内 5. 保持励磁电流不变，改变工作电流的值，测量霍尔电压值 容 6. 保持工作电流不变，改变励磁电流的值，测量霍尔电压值
7. 计算霍尔效应系数，霍尔元件载流子浓度，霍尔元件电导率，霍尔元件载流子迁移率 8. 关机整理仪器
及 则公式可写为：UH=K*I*B 可见，霍尔电压与控制电流及磁感应强度的大，所以要选用薄片。 霍尔系数:K=1/(n*q)， n 为载流子密度,一般金属
实验三 半导体霍尔效应测量实验
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 HnebdBb =1neI H Bd=R HI H Bd其中R H称为霍尔系数：R H=1 ne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，如下表示I H正向I H负向B正向V1V3B负向V2V42)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。
14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| I12然后在2、3端通电流，1、4端测电压，求R2=|V14| I23理论上证明样品的电阻率与R1、R2的关系为ρ=πdln2R1+R22f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。
实验三-霍尔效应法测量半导体的载流子浓度、-电导率和迁移
实验三霍尔效应法测量半导体的载流子浓度、电导率和迁移率一、实验目的1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元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，测量并绘制试样的 VH－IS 和VH－IM 曲线。
3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
二、实验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，即霍尔电场。
对于图（1）（a）所示的 N 型半导体试样，若在 X 方向的电极 D、E 上通以电流 Is，在 Z 方向加磁场 B，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力：其中 e 为载流子（电子）电量， V为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B 为磁感应强度。
无论载流子是正电荷还是负电荷，Fg 的方向均沿 Y 方向，在此力的作用下，载流子发生便移，则在 Y 方向即试样 A、A´电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样 A、A´两侧产生一个电位差 VH，形成相应的附加电场 E—霍尔电场，相应的电压 VH 称为霍尔电压，电极 A、A´称为霍尔电极。
电场的指向取决于试样的导电类型。
N 型半导体的多数载流子为电子，P 型半导体的多数载流子为空穴。
对 N 型试样，霍尔电场逆 Y 方向，P 型试样则沿Y 方向，有显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，试样中载流子将受一个与 Fg方向相反的横向电场力：其中 EH 为霍尔电场强度。
FE 随电荷积累增多而增大，当达到稳恒状态时，两个力平衡，即载流子所受的横向电场力 e EH 与洛仑兹力eVB 相等，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有设试样的宽度为 b ，厚度为 d ，载流子浓度为 n ，则电流强度V Is 与的 关系为由（3）、（4）两式可得即霍尔电压 VH （A 、A ´电极之间的电压）与 IsB 乘积成正比与试样厚度 d 成反比。
半导体物理实验——变温霍尔效应测试
变温霍尔效应测量半导体电学特性霍尔效应的测量是研究半导体性质的重要实验方法。
利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来确定半导体的导电类型和载流子浓度。
通过测量霍尔系数与电导率随温度的变化，可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的温度系数等基本参数。
本实验通过对霍尔样品在弱场条件下进行变温霍尔系数和电导率的测量，来确定半导体材料的各种性质。
【实验目的】1.了解半导体中霍尔效应的产生机制。
2.通过实验数据测量和处理，判别半导体的导电类型，计算室温下样品的霍尔系数、电导率、迁移率和载流子浓度。
3.掌握变温条件下霍尔系数和电阻率的测量方法，了解两者随温度的变化规律。
【实验仪器】本实验采用CVM200变温霍尔效应测试系统来完成，本仪器系统由可换向永磁体、CME12H变温恒温器、TC202控温仪、CVM-200霍尔效应仪等组成。
本系统自带有两块样品，样一是美国Lakeshore公司HGT-2100高灵敏度霍尔片，厚度为0.18mm，最大工作电流≤10 mA，室温下的灵敏度为55-140 mV/kG; 样二为锑化铟，厚度为1.11mm，最大电流为60mA，其在低温下是典型的P型半导体，而在室温下又是典型的N型半导体，相应的测试磁场并不高，但霍尔电压高，降低了对系统仪表灵敏度、磁铁磁场的要求。
【实验原理】1．霍尔效应和霍尔系数ZYX图1 霍尔效应示意图霍尔效应是一种电流磁效应（如图1）。
当半导体样品通以电流Is ，并加一垂直于电流的磁场B ，则在样品两侧产生一横向电势差U H ，这种现象称为“霍尔效应”，U H 称为霍尔电压，d B I R H S H U =（1）则： IsB d U H H R =（2） R H 叫做霍尔系数，d 为样品厚度。
对于P 型半导体样品， qp H R 1=（3） 式中q 为空穴电荷电量，p 为半导体载流子空穴浓度。
对于n 型半导体样品， qn H R 1-= （4）式中为n 电子电荷电量。
霍尔效应实验报告
d
Hd
比例系数 RH=1/ne 称为霍尔系数。 1 ． 由 RH 的符号(或者霍尔电压的正负)判断样品的导电类型。 2 ． 由 RH 求载流子浓度 n，即
1 n
(4)
R e
H
3 ． 结合电导率的测量，求载流子的迁移率 。
电导率 σ 与载流子浓度 n 以及迁移率 之间有如下关系
结束，且挪移步长为 1cm。
在 excel 中 ，线性拟合直 线斜率
k=2.0021。k=K *B , H
所以
K =k/B=2.002142857*10^3/11.25=17 H
7.97mv/mA*T,
R =K *d=0.03559m*mv/mA*T, HH
n=1/(R *e)=1.756*10^20mA*T/(m*mv H
如今，霍尔效应非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1 0 GHz) 、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。
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。
图2
图3
在半导体试样上引出测量电极时,不可能做到接触电阻彻底相同。当工作电流 Is 通过不 同接触电阻时会产生不同的焦耳热,并因温差产生一个温差电动势,结果在 Y 方向产生附加电 势差 VN ，这就是能斯脱效应。而VN 的符号只与 B 的方向有关，与 Is 的方向无关，因此可通 过改变 B 的方向予以消除。 (4)里纪 —勒杜克效应—热磁效应产生的温差引起的附加电压VRL
半导体物理实验——半导体霍尔效应
实验报告
一、实验目的和任务
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。
二、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I X，Z方向上加有均匀的磁场B z 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U H表示，这种现象就称为霍尔效应。
图 2.1
与霍尔电势对应的电场，叫做霍尔电场，用E Y表示，其大小与电流密度J X和所加磁场强度B z成正比，可以定义如下形式：
E Y = R H·B Z·J X（1）
上式中，R H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υx运动的载流子，将受到沦仑兹力f B = e υx B Z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E Y，此电场对载流子的静电作用力f E=e E Y,它与磁场对运动载流子的沦仑兹力f B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E Y。
霍尔效应及其参数测定实验报告
霍尔效应及其参数测定实验报告本实验主要介绍了霍尔效应及其参数测定的实验方法。
实验采用霍尔元件通过外磁场产生霍尔电势，从而测定材料的电导率、载流子浓度和载流子迁移率等参数。
实验结果表明，霍尔效应可以非常有效地测量半导体材料的电学特性，是一种重要的研究手段。
关键词：霍尔效应，霍尔元件，电导率，载流子浓度，载流子迁移率一、实验目的1.了解霍尔效应的基本原理2.掌握霍尔元件的制备方法3.掌握霍尔效应参数的测定方法4.学会使用实验仪器进行实验操作二、实验原理霍尔效应是指在磁场中，电流流动的导体中会出现电势差现象。
当磁场方向与电流方向垂直时，将产生垂直于两个方向的霍尔电势。
这种现象被称为霍尔效应。
霍尔电势的大小与电流、磁场及材料的特性有关。
霍尔元件是用于测量霍尔效应的元件。
霍尔元件通常由半导体材料制成，其结构为一个平面小矩形，两端连接电极，垂直于平面的方向中心处有一个小孔，可以通过孔内通入磁场。
当通入磁场时，材料中的载流子会受到洛伦兹力的作用，使载流子在材料中产生偏移，从而导致霍尔电势的产生。
通过测量霍尔电势的大小以及施加磁场的大小和方向，可以确定材料的电导率、载流子浓度和载流子迁移率等参数。
三、实验步骤1.制备霍尔元件首先，将半导体材料切割成小片，然后将其表面进行化学处理，以便在其表面上生长一层厚度为几微米的氧化层。
接着，将元件在高温下进行烘烤，使氧化层形成一种结构，即霍尔元件的结构。
最后在两端连接电极，制成完整的霍尔元件。
2.测量霍尔电势将霍尔元件放入测量器中，通入一定电流，然后施加一定磁场，记录霍尔电势的大小。
3.测量电阻率在不施加磁场的情况下，通过测量电流和电压的大小，计算出材料的电阻率。
4.计算载流子浓度和迁移率通过测量霍尔电势的大小、电阻率和电子电荷数，可以计算出载流子浓度和迁移率等参数。
四、实验结果与分析通过实验测量，得到了不同条件下的霍尔电势大小和材料的电阻率。
通过计算，得到了材料的电导率、载流子浓度和迁移率等参数。
半导体霍尔效应实验
（1）低温区。在低温区杂质部分电离，杂质电离产生的载流子浓度随温度升高而增加，而且 在低温下主要取决于杂质散射，它也随温度升高而增加。因此， 随T的增加而增加。见图的a段。室温附近，此时杂质已全部电离，载流子浓度基本不变，这时晶格散射起主要作用，使 随T的升高而下降，导致 随T的升高而下降，见图的b段。
将测量样品杆放入电磁铁磁场中（对好位置）。
打开电脑桌面HT648型变温霍尔效应控制程序，进入数据采集状态，选择电压曲线。如果没有进入数据采集状态，则按一下《Ⅰ》复位开关后进入数据采集状态。记录磁场电流正反向的霍尔电压 记录测试所得霍尔电压和霍尔系数数值。
将《Ⅱ》<测量选择>拨至 ，记录电流正反向的电压 记录所得样品的电导率。
（2） 高温区。在这段区域中，本征激发产生的载流子浓度随温度升高而指数地剧增，远远超过 的下降作用，使 随T而迅速增加，如图的c段。
3、 霍尔系数和温度的关系
电子空穴混和半导体材料的霍尔系数表达式：
A：为霍尔因子；b：为电子和空穴迁移率的比，大于1。
霍尔系数与温度的关系如图2：
A：n型半导体 B：p型半导体
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 霍尔效应和霍尔系数
设一块半导体的x方向上有均匀的电流 流过，在z方向上加有磁场 ，则在这块半导体的y方向上出现一横向电势差 ，这种现象被称为“霍尔效应”， 称为“霍尔电压”，所对应的横向电场 称为“霍尔电场”。
霍尔电场强度 的大小与流经样品的电流密度 和磁感应强度 的乘积成正比：
式中比例系数 称为“霍尔系数”。
当该电场对空穴的作用力q 与洛仑兹力相平衡时，空穴在y方向上所受的合力为零，达到稳态。在稳态时，有 ：