免費下載！
[!--downpath--]通過霍爾效應檢測磁場在磁場中的載流導體上出現(xiàn)很想電勢差的現(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。隨著半導體化學學的迅猛發(fā)展，霍爾系數(shù)和濁度率的檢測早已稱為研究半導體材料的主要方式之一。通過實驗檢測半導體材料的霍爾系數(shù)和濁度率可以判定材料的導電類型、載流子含量、載流子遷移率等主要參數(shù)。若能測得霍爾系數(shù)和濁度率隨氣溫變化的關系物理實驗 霍爾效應，還可以求出半導體材料的雜質(zhì)電離能和材料的禁帶間距。在霍爾效應發(fā)覺約100年后，美國化學學家克利青(Klausvon)等研究半導體在極低氣溫和強磁場中發(fā)覺了量子霍爾效應，它除了可作為一種新型內(nèi)阻標準，還可以改進一些基本產(chǎn)值的精確測定，是當代匯聚態(tài)化學學和磁學令人驚愕的進展之一，克利青因此發(fā)覺獲得1985年諾貝爾化學學獎。其后法籍日裔數(shù)學學家崔琦(D.C.Tsui)和施特默在更強磁場下研究量子霍爾效應時發(fā)覺了分數(shù)量子霍爾效應。它的發(fā)覺使人們對宏觀量子現(xiàn)象的認識更深入一步，她們因此發(fā)覺獲得了1998年諾貝爾化學學獎。用霍爾效應之輩的各類傳感，以廣泛應用于工業(yè)手動化技術、檢測技術和信息處理各個方面。
本實驗的目的是通過用霍爾器件檢測磁場，判定霍爾器件自旋類型，估算自旋的含量和遷移速率，以及了解霍爾效應測試中的各類副效應及清除方式。實驗原理?通過霍爾效應檢測磁場霍爾效應裝置如圖2.3.1-1和圖2.3.1-2所示。將一個半導體薄片置于垂直于它的磁場中(B的方向沿z軸方向)，當沿y方向的電極A、A’上施加電壓I時，薄片內(nèi)定向聯(lián)通的自旋(設平均速度為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，進而在薄片B、B’兩側(cè)形成一個電位差VBB’,產(chǎn)生一個電場E。電場使自旋又遭到一個與FB方向相反的電場力FE，F(xiàn)E＝qE=qVBB’/b(2)其中b為薄片長度，F(xiàn)E隨著電荷累積而減小，當達到穩(wěn)定狀態(tài)時FE＝FB，即quB=qVBB’/b(3)這時在B、B’兩側(cè)構建的電場稱為霍爾電場，相應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,薄片長度為d,則電壓硬度I與u的關系為：(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大小。
按照霍爾效應制做的器件稱為霍爾器件。在應用中，(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，只要測出霍爾電流VBB’，即可算出磁場B的大小；而且若知自旋類型(n型半導體多數(shù)自旋為電子，P型半導體多數(shù)自旋為空穴),則由VBB’的正負可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判定自旋類型。因為霍爾效應構建所需時間很短(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，得到的霍爾電流也是交變的，(7)中的I和VBB’應理解為有效值。?霍爾效應實驗中的付效應在實際應用中，伴隨霍爾效應常常存在其他效應。比如實際中自旋遷移速度u服從統(tǒng)計分布規(guī)律，速率小的自旋遭到的洛倫茲力大于霍爾電場斥力，向霍爾電場斥力方向偏轉(zhuǎn)，速率大的自旋遭到磁場斥力小于霍爾電場斥力，向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這樣致使右側(cè)告訴自旋較多，相當于水溫較高，而另左側(cè)低速自旋較多，相當于水溫較低。這些縱向溫差就是溫差電動勢VE，這些現(xiàn)象稱為愛延豪森效應。這些效應構建須要一定時間，倘若采用直流電檢測時會為此而給霍爾電流檢測帶來偏差，假若采用交流電，則因為交流變化快致使愛延豪森效應來不及完善，可以減少檢測偏差。
據(jù)悉，在使用霍爾器件時還存在不等位電動勢造成的偏差，這是由于霍爾電極B、B’不可能絕對對稱焊在霍爾片一側(cè)形成的。因為目前生產(chǎn)工藝水平較高，不等位電動勢很小，故通常可以忽視，也可以用一個電位器加以平衡(圖2.3.1-1中電位器R1)。我們可以通過改變IS和磁場B的方向去除大多數(shù)付效應。具體說在規(guī)定電壓和磁場正反方向后，分別檢測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，但其引入的偏差不大，可以忽視不計。濁度率檢測方式如右圖所示。設B’C寬度離為L，樣品橫截面積為S=bd，流經(jīng)樣品電壓為IS，在零磁場下，測得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?了解霍爾效應原理以及有關霍爾元件對材料要求的知識。?學習用“對稱檢測法”消除付效應影響。?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，實驗內(nèi)容和儀器：QS-H霍爾效應組合儀，小n極，測試儀。?霍爾效應組合儀包括電磁鐵，霍爾樣品和樣品架，換向開關和接線柱，如右圖所示。
?測試儀由電樞恒流源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驗 霍爾效應，儀器面板如右圖：將測試儀上IM輸出，IS輸出和VH輸入三對接線柱分別與實驗臺上對應接線柱聯(lián)接。打開測試儀電源開關，預熱數(shù)分鐘后開始實驗。?保持IM不變，取IM＝0.45A，IS取1.00,1.50……,4.50mA，測繪VH-IS曲線，估算RH。?保持IS不變，取IS＝4.50mA，IM取0.100,0.150……,0.450mA，測繪VH-IM曲線。?在零磁場下，取IS=0.1mA，測VB’C(即V?)。·確定樣品導電類型，并求(n,u,?(。·注意事項?測試儀開機、關機前將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?若磁場不正好與霍爾器件片底法線一致，對檢測結果有何影響，假如用實驗方式判定B與器件發(fā)覺是否一致？?能夠用霍爾器件片檢測交變磁場？......