半导体物理实验指导书

实验指导书教学单位：电子工程系课程名称：半导体物理面向专业：电子科学与技术电子科技大学中山学院2007年10月实验指导书实验名称：实验一、半导体霍尔效应学时安排：3实验类别：验证性实验要求：必做一、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、实验原理介绍将一块宽为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)Y图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成正比，可以定义如下形式：EY=RH·BZ·JX（1）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υx运动的载流子，将受到沦仑兹力fB=eυxBZ的作用，使载流子沿虚线方向偏转，如图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=eEY,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：X(I)2a2b2d2有eυxBZ=eEY（2）电流密度JX=enυx所以EY=ne1JXBZ（3）将（3）式与（1）式比较，可得：RH=ne1（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。YYBZ+BZ－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋IXIXEYυX－–e+e＋υX______________UHUHfBfB－＋N型P型图2又因EY=2aUHJX=2adIX由（3）式得：U=nedBIZX=dRH·IXBZ=KHIXBZ（5）KH为霍尔元件灵敏度，单位为V/（A·T）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=HHXUKI（7）由图2可以看出，若载流子带正电，则所测出的UH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R=ne1（8）n=HeR1（9）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）=83≈1.178电离杂质散射时=512315π≈1.933对高度简并化的半导体=1我们知道，电导率σ=JX/EX或σ=neμN，式中μN为N型半导体的漂移迁移率。将此式与（8）式比较，可得RHσ=μN如果用μH表示RH·σ即μH=RH·σ（10）μN叫做霍尔迁移率所以=ΝΗμμ（11）通过实验测量出RH和σ即可算得μH，从而也可求得μN值。对于非简并半导体（球形等能面）晶格散射时μN=38RH·σ（12）实验原理接线见图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。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L21、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=σ﹒EX计算出电导率σ：σ21=XXEJ=2121X/U)2/(ILad=2121X·2·IUadLσ43=XXEJ=4343X/U)2/(ILad=4343X·2·IUadL21432（13）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/（Ωm）。这样，我们可以根据式（7）、（13）、（6）、（12）、（10、（9）分别算出磁感应强度BZ、电导率σ、霍尔系数RH、漂移迁移率μN、霍尔迁移率μH，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，使样品内的温度分布存在着梯度。若各电位电极（1~4）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IX通过样品时，（1、3）、（2、4）两端也会处在不同的等位面上，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），2a6d43L43b5L21处于BZ磁场中的样品稳流源1图3图4分别表示（+BZ，+IX）组合、（+BZ，-IX）组合、（-BZ，-IX）组合和（-BZ，+IX）组合时的测量结果，最后取UH=41(4)U(3)U(2)U(1)UHHHH三、实验设备介绍本实验采用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。实验接线图见图5。四、实验内容和步骤1、判断半导体无件的导电类型1)按图5.5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1000mA，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，并确定霍尔元件（1、3）或（2、4）极性，根据图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1000mA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气隙中部，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向上各点的霍尔电压UH，计算出相应的磁感应强度BZ，作BZ~X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IX，纵坐标为霍尔电压UH，绘出IX~UH的关系曲线。图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IX为10mA，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,……，1000mA，测出相应的霍尔电压UH值，再计算出相应的BZ值。以IB为横坐标，BZ为纵坐标，作IB~BZ曲线，并对曲线进行说明。6、合上K2，调节工作电流为10.0mA，断开K1，将霍尔元件（2、1）、（4、3）两端分别接入数字电压表，测出电压U21、U43，根据工（13）算出电导率σ。（若U21或U43超过200mV，应减小工作电流IX）。7、测定霍尔系数RH、载流子浓度n、漂移迁移率μN霍尔迁移率μH。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μN，霍尔迁移率μH。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，否则线圈发热，影响测量结果。4．仪器不宜在强光照射下、高温或有腐蚀性气体场合中使用，不宜在强磁场中存放。实验仪测试仪124356工作电流56K210.0mAK331霍尔电压霍尔电压励磁电流200mA1000mA5．励磁电流换向时必须先关闭电源。六、作业及预习要求1、根据实验过程中测量的数据，进行数据处理，计算出霍尔系数RH、载流子浓n、漂移迁移率μN，霍尔迁移率μH；2、熟悉光电导法测试少数载流子寿命的基本原理。七、参考书目刘恩科等。半导体物理学国防工业出版社鄢恩平等。大学物理（第二版）科技出版社实验指导书实验名称：实验二、高频光电导法测少子寿命学时安排：3实验类别：验证性实验要求：必做一、实验目的和任务1、了解光电导法测试少数载流子寿命的原理，熟练掌握LT-1高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法；2、测非平衡载流子的寿命。二、实验原理介绍处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是n0和p0，可以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子。用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法，称为非平衡载流子的光注入。光注入时△n=△p（1）在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小得多。对n型材料，△n〈〈n0，△p〈〈p0，满足这个条件的注入成为小注入，小注入条件下，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大很多，它的影响显得十分重要了，而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略。所以实际上往往是非平衡少数载流子起着重要作用，通常说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子。图1测量少数载流子寿命的电路图光注入必然导致半导体电导率增大，即引起附加电导率：△δ=△nqµn+△pqµp=△pq（µn+µp）（2）这个附加电导率可以用图1所示的装置观察。图中电阻R比半导体的电阻r大得多，因此无论光照如否，通过半导体的电流I几乎恒定的。半导体上的电压降V=Ir。设平衡时电导率为δ0，光照引起附加电导率△δ，小注入时δ0+△δ≈δ0，因此电阻率改变△ρ=1-01≈-20，则电阻改变△r=ls≈20ls，其中l，s分别为半导体的长度和截面积。因为△r∝△δ，而V=I△r，故△V∝△δ，因此△V∝△p。所以从示波器上观测到的半导体上电压降的变化就间接反映载流子浓度的变化。寿命的全称是非平衡少数载流子寿命，它的含意是单晶在受到如光照或点触发的情况下会在表面及体内产生新的（非平衡）载流子，一当外界作用撤消后，它们会通过单晶体内由重金属杂质和缺陷形成的复合中心逐渐消失，杂质、缺陷愈多非平衡载流子消失得愈快，在复合过程中少数载流子起主导和决定的作用。这些非平衡少数载流子在单晶体内平均存在的时间