通過霍爾效應(yīng)檢測(cè)磁場(chǎng)在磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體上出現(xiàn)很想電勢(shì)差的現(xiàn)象是24歲的研究生霍爾（EdwinH.Hall）在1879年發(fā)覺的，現(xiàn)今稱之為霍爾效應(yīng)。隨著半導(dǎo)體化學(xué)學(xué)的迅猛發(fā)展，霍爾系數(shù)和濁度率的檢測(cè)早已稱為研究半導(dǎo)體材料的主要方式之一。通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)和濁度率可以判定材料的導(dǎo)電類型、載流子含量、載流子遷移率等主要參數(shù)。若能測(cè)得霍爾系數(shù)和濁度率隨氣溫變化的關(guān)系物理實(shí)驗(yàn) 霍爾效應(yīng)，還可以求出半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)電離能和材料的禁帶間距。在霍爾效應(yīng)發(fā)覺約100年后，美國(guó)化學(xué)學(xué)家克利青(Klausvon)等研究半導(dǎo)體在極低氣溫和強(qiáng)磁場(chǎng)中發(fā)覺了量子霍爾效應(yīng)，它除了可作為一種新型內(nèi)阻標(biāo)準(zhǔn)，還可以改進(jìn)一些基本產(chǎn)值的精確測(cè)定，是當(dāng)代匯聚態(tài)化學(xué)學(xué)和磁學(xué)令人驚愕的進(jìn)展之一，克利青因此發(fā)覺獲得1985年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。其后法籍日裔數(shù)學(xué)學(xué)家崔琦(D.C.Tsui)和施特默在更強(qiáng)磁場(chǎng)下研究量子霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)覺了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。它的發(fā)覺使人們對(duì)宏觀量子現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)更深入一步，她們因此發(fā)覺獲得了1998年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。用霍爾效應(yīng)之輩的各類傳感，以廣泛應(yīng)用于工業(yè)手動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和信息處理各個(gè)方面。
本實(shí)驗(yàn)的目的是通過用霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)，判定霍爾器件自旋類型，估算自旋的含量和遷移速率，以及了解霍爾效應(yīng)測(cè)試中的各類副效應(yīng)及清除方式。實(shí)驗(yàn)原理?通過霍爾效應(yīng)檢測(cè)磁場(chǎng)霍爾效應(yīng)裝置如圖2.3.1-1和圖2.3.1-2所示。將一個(gè)半導(dǎo)體薄片置于垂直于它的磁場(chǎng)中(B的方向沿z軸方向)，當(dāng)沿y方向的電極A、A’上施加電壓I時(shí)，薄片內(nèi)定向聯(lián)通的自旋(設(shè)平均速度為u)遭到洛倫茲力FB的作用，F(xiàn)B=quB(1)無論自旋是負(fù)電荷還是正電荷，F(xiàn)B的方向均順著x方向，在磁力的作用下，自旋發(fā)生偏斜，形成電荷積累，進(jìn)而在薄片B、B’兩側(cè)形成一個(gè)電位差VBB’,產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)E。電場(chǎng)使自旋又遭到一個(gè)與FB方向相反的電場(chǎng)力FE，F(xiàn)E＝qE=qVBB’/b(2)其中b為薄片長(zhǎng)度，F(xiàn)E隨著電荷累積而減小，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)FE＝FB，即quB=qVBB’/b(3)這時(shí)在B、B’兩側(cè)構(gòu)建的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電流稱為霍爾電流，電極B、B’稱為霍爾電極。另一方面，射氮化物含量為n,薄片長(zhǎng)度為d,則電壓硬度I與u的關(guān)系為：(4)由(3)和(4)可得到(5)令，則(6)R稱為霍爾系數(shù)，它彰顯了材料的霍爾效應(yīng)大小。
按照霍爾效應(yīng)制做的器件稱為霍爾器件。在應(yīng)用中，(6)常以如下方式出現(xiàn)：(7)式中稱為霍爾器件靈敏度，I稱為控制電壓。由式(7)可見，若I、KH已知，只要測(cè)出霍爾電流VBB’，即可算出磁場(chǎng)B的大小；而且若知自旋類型(n型半導(dǎo)體多數(shù)自旋為電子，P型半導(dǎo)體多數(shù)自旋為空穴),則由VBB’的正負(fù)可測(cè)出磁場(chǎng)方向，反之，若已知磁場(chǎng)方向，則可判定自旋類型。因?yàn)榛魻栃?yīng)構(gòu)建所需時(shí)間很短(10-12~10-14s),因而霍爾器件使用交流電或則直流電都可。指示交流電時(shí)，得到的霍爾電流也是交變的，(7)中的I和VBB’應(yīng)理解為有效值。?霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的付效應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中，伴隨霍爾效應(yīng)常常存在其他效應(yīng)。比如實(shí)際中自旋遷移速度u服從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，速率小的自旋遭到的洛倫茲力大于霍爾電場(chǎng)斥力，向霍爾電場(chǎng)斥力方向偏轉(zhuǎn)，速率大的自旋遭到磁場(chǎng)斥力小于霍爾電場(chǎng)斥力，向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這樣致使右側(cè)告訴自旋較多，相當(dāng)于水溫較高，而另左側(cè)低速自旋較多，相當(dāng)于水溫較低。這些縱向溫差就是溫差電動(dòng)勢(shì)VE，這些現(xiàn)象稱為愛延豪森效應(yīng)。這些效應(yīng)構(gòu)建須要一定時(shí)間，倘若采用直流電檢測(cè)時(shí)會(huì)為此而給霍爾電流檢測(cè)帶來偏差，假若采用交流電，則因?yàn)榻涣髯兓熘率箰垩雍郎?yīng)來不及完善，可以減少檢測(cè)偏差。
據(jù)悉，在使用霍爾器件時(shí)還存在不等位電動(dòng)勢(shì)造成的偏差，這是由于霍爾電極B、B’不可能絕對(duì)對(duì)稱焊在霍爾片一側(cè)形成的。因?yàn)槟壳吧a(chǎn)工藝水平較高，不等位電動(dòng)勢(shì)很小，故通常可以忽視，也可以用一個(gè)電位器加以平衡(圖2.3.1-1中電位器R1)。我們可以通過改變IS和磁場(chǎng)B的方向去除大多數(shù)付效應(yīng)。具體說在規(guī)定電壓和磁場(chǎng)正反方向后，分別檢測(cè)下述四組不同方向的IS和B組合的VBB’,即＋B，+IVBB’=V1-B，+IVBB’=-V2-B，-IVBB’=V3＋B，-IVBB’=-V4之后得到霍爾電流平均值，這樣即使不能清除所有的付效應(yīng)，但其引入的偏差不大，可以忽視不計(jì)。濁度率檢測(cè)方式如右圖所示。設(shè)B’C寬度離為L(zhǎng)，樣品橫截面積為S=bd，流經(jīng)樣品電壓為IS，在零磁場(chǎng)下，測(cè)得B’C間電流為VB’C,依照歐姆定理可以求出材料的濁度率。v?了解霍爾效應(yīng)原理以及有關(guān)霍爾元件對(duì)材料要求的知識(shí)。?學(xué)習(xí)用“對(duì)稱檢測(cè)法”消除付效應(yīng)影響。?按照霍爾電流判定霍爾器件自旋類型，估算自旋的含量和遷移速率，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和儀器：QS-H霍爾效應(yīng)組合儀，小n極，測(cè)試儀。?霍爾效應(yīng)組合儀包括電磁鐵，霍爾樣品和樣品架，換向開關(guān)和接線柱，如右圖所示。
?測(cè)試儀由電樞恒流源IM，樣品工作恒流源IS，數(shù)字電壓表，數(shù)字毫伏表等組成物理實(shí)驗(yàn) 霍爾效應(yīng)，儀器面板如右圖：將測(cè)試儀上IM輸出，IS輸出和VH輸入三對(duì)接線柱分別與實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)應(yīng)接線柱聯(lián)接。打開測(cè)試儀電源開關(guān)，預(yù)熱數(shù)分鐘后開始實(shí)驗(yàn)。?保持IM不變，取IM＝0.45A，IS取1.00,1.50……,4.50mA，測(cè)繪VH-IS曲線，估算RH。?保持IS不變，取IS＝4.50mA，IM取0.100,0.150……,0.450mA，測(cè)繪VH-IM曲線。?在零磁場(chǎng)下，取IS=0.1mA，測(cè)VB’C(即V?)。·確定樣品導(dǎo)電類型，并求(n,u,?(。·注意事項(xiàng)?測(cè)試儀開機(jī)、關(guān)機(jī)前將IS,IM旋鈕逆秒針轉(zhuǎn)入底，避免輸出電壓過大。·IS,IM接線不可顛倒，以防燒毀樣品。·思考題?若磁場(chǎng)不正好與霍爾器件片底法線一致，對(duì)檢測(cè)結(jié)果有何影響，假如用實(shí)驗(yàn)方式判定B與器件發(fā)覺是否一致？?能夠用霍爾器件片檢測(cè)交變磁場(chǎng)？......