变温霍尔效应实验仪 使用说明

DP-HT-648型变温霍尔效应实验仪

                    使用说明书

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。本仪器采用现代电子和计算机数据采集系统，对霍尔样品在弱场条件下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。

、基本原理

1．霍尔效应和霍尔系数

   霍尔效应是种电流磁效应（如图）

                      B     a

                                            Z

                    l   _HHH              d

                                             UH

                                             Y

Is                  X

图   霍尔效应示意图

   当半导体样品通以电流Is，并加垂直于电流的磁场B，则在样品两侧产生横向电势差U_H，这种现象称为“霍尔效应”，U_H称为霍尔电压，    （1）

则     （2）           RH叫做霍尔系数，d为样品厚度。

对于P型半导体样品，     （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，    （4）式中为n电子电荷电量。

考虑到载流子速度的统计分布以及载流子在运动中受到散射等因素的影响。在霍尔系数的表达式中还应引入霍尔因子A，则（3）（4）修正为p型半导体样品    （5）， n型半导体样品，     （6）。A的大小与散射机理及能带结构有关。在弱磁场（般为200mT）条件下，对球形等能面的非简并半导体，在较温度（晶格散射起主要作用）情况下，A=1.18，在较低的温度（电离杂质散射起主要作用）情况下，A=1.93,对于载流子浓度的简并半导体以及强磁场条件A=1。

对于电子、空穴混合导电的情况，在计算RH时应同时考虑两种载流子在磁场偏转下偏转的效果。对于球形等能面的半导体材料，可以证明：

    （7）

式中  ，Up、Un分别为电子和空穴的迁移率，A为霍尔因子，A的大小与散射机理及能带结构有关。

       从霍尔系数的表达式可以看出：由RH的符号可以判断载流子的型，正为P型，负为N型。由RH的大小可确定载流子浓度，还可以结合测得的电导率算出如下的霍尔迁移率UH

UH=|RH|σ      （8）

对于P型半导体UH=UP，对于N型半导体UH=UN

    霍尔系数RH可以在实验中测量出来，表达式为

    （9）

式中UH、Is、d，B分别为霍尔电势、样品电流、样品厚度和磁感应强度。单位分别为伏（V）、安培（A），米（m）和斯拉（T）。但为与文献数据相对应，般所取单位为UH 伏（V）、Is毫安（mA）、d厘米（cm）、B斯（Gs） 、则霍尔系数RH的单位为厘米³/库仑（cm³/C）。

       但实际测量时，往往伴随着各种热磁效应所产生的电位叠加在测量值UH上，引起测量误差。（详见讲义）为了消除热磁效应带来的测量误差，可采用改变流过样品的电流方向及磁场方向予以消除。

       2．霍尔系数与温度的关系

       RH与载流子浓度之间有反比关系，当温度不变时，载流子浓度不变，RH不变，而当温度改变时，载流子浓度发生，RH也随之变化。

       实验可得|R H |随温度T变化的曲线。

       3．半导体电导率

       在半导体中若有两种载流子同时存在，其电导率σ为

σ=qpu_P+qnu_n                         （7）

实验中电导率σ可由下式计算出

        σ=I/ρ=Il/U_σad         （8）

式中为ρ电阻率，I为流过样品的电流，U_σ、l分别为两测量点间的电压降和长度，a为样品宽度，d为样品厚度。

二、实验装置

图（二）为测量仪器的结构框图。它由电磁铁、可自动换向稳流源、恒温器、测温控温系统、数据采集及数据处理系统等。

                            温度测量及控制系统

        样品杆             

                              数据采集及数据处理系统

        斯拉计

                        恒温器

                            电磁铁      计算机及

                                    软件系统   

                磁场可换向电源

图二   变温霍尔实验仪结构图

三、主要指标、

1．电磁铁        0-300mT可调

2. 励磁电源  0-可调  可自动换向    稳定性﹤±0.1%

3. 数字斯拉计      0-2000mT    三位半数字显示

4. 恒流源输出    1mA 稳定性±0.1%

5. 数据采集系统霍尔电压测量Z小分辨率1uV

6. 温度变化测量范围      80-400K

7.电源   220V50HzAC  200W   

四、操作步骤及使用方法

（）常温下测量霍尔系数RH和电导率σ

1．打开电脑、霍尔效应实验仪（I）及磁场测量和控制系统（II）

电源开关。（以下简称I或II）

     （如《II》电流有输出，则按下《I》复位开关，电流输出为零。）

2．将霍尔效应实验仪（I），<样品电流方式>拨至“自动”， <测

量方式>拨至“动态”，将II<换向转换开关>拨至“自动”。

按下《I》复位开关，电流有输出，调节《II》电位 器，至电流

为定电流值同时测量磁场强度。（亦可将II开关拨至手动，

调节电流将磁场固定在定值，般为200mT即2000GS）。

3．将测量样品杆放入电磁铁磁场中（对好位置）。

4．入数据采集状态，选择电压曲线。如没有入数据采集状态，则按下《I》

     复位开关后入数据采集状态。记录磁场电流正反向的霍尔电压V3、V4、V5、V6。

      可在数据窗口得到具体数值。

   5．将《I》<测量选择>拨至σ，记录电流正反向的电压V1、V2。

   6．按讲义计算霍尔系数RH，电导率σ等数据。

（二）变温测量霍尔系数RH和电导率σ

1．    将《I》<测量选择>拨至“RH”，将<温度设定>调至Z小（往左旋到底，加热指示灯不亮）

2．    将测量样品杆放入杜瓦杯中冷却至液氮温度。

3．    将测量样品杆放入电磁铁磁场中（对好位置）。

4．    重新入数据采集状态。（电压曲线）

5．    系统自动记录随温度变化的霍尔电压，并自动行电流和磁场换向。到了接近室温时调节<温度设定>至Z大（向右旋到底）。也可开始就加热测量。

6．    到加热指示灯灭，退出数据采集状态。保存霍尔系数RH文件。

7．    将《I》<测量选择>拨至“σ”

8．    将测量样品杆放入杜瓦杯中冷却至液氮温度。

9．    将测量样品杆拿出杜瓦杯。

10． 重新入数据采集状态。

11． 系统自动记录随温度变化的电压，到了接近室温时调节<温度设定>至Z大。

12． 当温度基本不变，退出数据采集状态。保存电导率σ文件  。

13． 根据实验要求行数据处理。

注：样品为N型锗 长l=6mm 宽a=4mm厚d=0.6 mm 

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。本仪器采用现代电子和计算机数据采集系统，对霍尔样品在弱场条件下行
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。

变温霍尔效应测量是半导体材料研究的Z基本方法，也是研究新材料的种常
用的方法。电子的发展离不开各种半导体材料，如硅、锗及砷化镓等材料。通过本
实验可使同学对半导体的基本性质有所了解，对半导体材料的应用有所认识，掌握种
用于科研的测量方法。用种简单的测量方法来得到材料的各种性质，对同学的创新思
想的培养有定帮助。