电导率和载流子迁移率-中国科学技术大学
四点探针测试技术
四探针法计算模型
2.薄层原理（2D模型）
当样本在能够忽略其本身厚度情况下，一般认为当样本厚 度W小于探针距S时就看做薄层。当样品为薄层时，各点 电势为：
公式中
RW
为薄层电阻，也成为单位方块电阻【6】
RW:薄层电阻,
W:薄层厚度
A:r无穷大时的电势
四探针测试的修正
实际测试中，要对四探针测试方法进行修正，包括厚度修 正，边缘修正和温度修正。
1.系统的分类
整体式微观四点探针系统 ：最小探针间距300nm 微观四点STM探针系统: 最小探针间距30nm
2.系统的组成
机械系统：底座、真空室、样品台； 探针系统：探针、探针台； 信号控制与传输系统：测试仪表、电路、PC机；
成像系统：SEM、RHEED；
辅助装置：真空泵、其他表面科学分析工具
整体式微观四点探针测试系统
四探针计算模型
1.厚块原理（3D模型）
假设被测样品为半无限大，探针与样品表面为点接触，形成以 此点为球心的等位面。根据拉普拉斯方程（1）：
r 时V 0及j E
可得到距点电流源r处的电势为：
图 7. 点电流源的半球形等位面
四探针法计算模型
电阻率公式为：
探针等距：
C为探针系数，只要针距一定，它就是常数
微观四点探针制备技术
整体式微观四点探针制备
金属镀层 悬臂梁制备 导电电极制备
图23.整体式微观四点探针的一般制备步骤
基底材料： 单晶硅、多晶硅、氮硅化合物（Si3N4）
常用工艺：
FIB 光刻 、电子束光刻 、传统光刻 、混合匹配光刻 等
微观四点探针制备技术
(a)KOH蚀刻V型槽 (b)氧化硅生长 (c) LPCVD法沉积SiN层 (d )光致抗蚀掩模
中国科技大学微电子专业-半导体物理Chapter2
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Si, Ge,价带顶附近: (轻,重空穴带)
h 3/ 2 3/ 2 2/ 3 mdp = (mpl + mph )
gv = 4πV
(2mdp )
3
3/ 2
( Ev − E )
图3-6
图3-8
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表3-2 300K下, Ge、Si、GaAs的 能隙宽度-- Eg 态密度有效质量—mn*, mp* 等效(有效)状态密度—NC , NV 本征载流子浓度— ni
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能带
态密度
分布函数
载流子分布
图3-6 本征半导体
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★ 本征载流子浓度
中科院博士入学考试半导体物理
一、简答1、肖特基接触、欧姆接触2、Pn 结作用、异质PN 结、同质PN 结区别3、费米能级、判断杂质类型、掺杂浓度4、PN 结激光器实现粒子数反转5、光电导二、Si 、GaAs 、GaN 晶体结构、能带特点、物理性质、应用。
三、霍尔效应，........ 证明R H =四、Xy 方向自由，z 方向为无限深势阱1,、求本征能量2、能态密度3、如果三个方向都无受到限制，则1、本征能量 2、能态密度改变？五、GaAs ，次能、最低能谷。
有效质量性质和意义，有效质量大小比？ 2014 一、简答1、以GaAs 为例说明几种散射机制？与温度关系？2、迁移率μ，电导σ，H μ区别3、PN 结光生伏特效应？光电池？画I-V 曲线？4、Si 、GaAs 、GaN 晶体结构、能带特点、物理性质、应用。
5、温度太高。
破坏晶体结构？ 二、导体、半导体、绝缘体能带论三、掺杂质。
求E ？已知j p n μμρ,i ，。
四、轻空穴、重空穴有效质量及图，等能面为球面，E=(....)m22。
一、Si 、GaAs 、GaN 晶体结构、能带特点、物理性质、应用。
1、晶体结构：Si 是金刚石结构，由面心立方中心到顶角引8条对角线，在其中互不相邻的4条对角线上中点放置一个原子，对角线上的4个原子与面心和顶角原子周围情况不同，是单原子复式格子。
GaAs （III-V ）闪锌矿结构（立方对称性），与金刚石结构相仿，只是对角线上的原子与面心和顶角上的原子不同，（极性半导体/共价性化合物半导体）。
GaN 是纤锌矿结构（六方对称性，以正四面体为基础） 2、能带特点：Si 的导带极小值在K 空间<1 0 0>方向，能谷中心与 点距离是X 距离的65，共有6个等价能谷，形状为旋转椭球。
价带在布里渊区中心是简并的，有重空穴、轻空穴、自旋耦合分裂三个能级。
导带底和价带顶在K 空间不同点，属于间接禁带半导体。
GaAs导带等能面为球面，导带极小值位于布里渊区中心K=0处，但在<100><111>方向还有极小值。
大学物理实验课后思考题全解
实验一霍尔效应及其应用【预习思考题】1．列出计算霍尔系数、载流子浓度n、电导率σ及迁移率μ的计算公式，并注明单位。
霍尔系数，载流子浓度，电导率，迁移率。
2．如已知霍尔样品的工作电流及磁感应强度B的方向，如何判断样品的导电类型？以根据右手螺旋定则，从工作电流旋到磁感应强度B确定的方向为正向，若测得的霍尔电压为正，则样品为P型，反之则为N型。
3．本实验为什么要用3个换向开关？为了在测量时消除一些霍尔效应的副效应的影响，需要在测量时改变工作电流及磁感应强度B的方向，因此就需要2个换向开关；除了测量霍尔电压，还要测量A、C间的电位差，这是两个不同的测量位置，又需要1个换向开关。
总之，一共需要3个换向开关。
【分析讨论题】1．若磁感应强度B和霍尔器件平面不完全正交，按式（5.2-5）测出的霍尔系数比实际值大还是小？要准确测定值应怎样进行？若磁感应强度B和霍尔器件平面不完全正交，则测出的霍尔系数比实际值偏小。
要想准确测定，就需要保证磁感应强度B和霍尔器件平面完全正交，或者设法测量出磁感应强度B和霍尔器件平面的夹角。
2．若已知霍尔器件的性能参数，采用霍尔效应法测量一个未知磁场时，测量误差有哪些来源？误差来源有：测量工作电流的电流表的测量误差，测量霍尔器件厚度d的长度测量仪器的测量误差，测量霍尔电压的电压表的测量误差，磁场方向与霍尔器件平面的夹角影响等。
实验二声速的测量【预习思考题】1. 如何调节和判断测量系统是否处于共振状态？为什么要在系统处于共振的条件下进行声速测定？答：缓慢调节声速测试仪信号源面板上的“信号频率”旋钮，使交流毫伏表指针指示达到最大（或晶体管电压表的示值达到最大），此时系统处于共振状态，显示共振发生的信号指示灯亮，信号源面板上频率显示窗口显示共振频率。
在进行声速测定时需要测定驻波波节的位置，当发射换能器S1处于共振状态时，发射的超声波能量最大。
若在这样一个最佳状态移动S1至每一个波节处，媒质压缩形变最大，则产生的声压最大，接收换能器S2接收到的声压为最大，转变成电信号，晶体管电压表会显示出最大值。
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与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、载流子浓度以与迁移率。
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。
固体氧化物燃料电池的电解质及电极材料的电导率研究方法
固体氧化物燃料电池的电解质及电极材料的电导率研究方法贺贝贝;潘鑫;夏长荣【摘要】论述了晶体材料，重点是固体氧化物燃料电池组件的导电机理，介绍了影响电导率的几个因素。
针对不同的电解质和电极材料，讨论了几种常用的测量电解质和电极总电导率、电子电导率以及离子电导率的方法，并指出在测量中需要注意的问题。
%The conductive mechanism of crystal material,especially of the solid oxide fuel cell compo-nents is detailedly discussed in this article. Several influence factors that affect the conductivity of materials are also mentioned. Some commonly used measurements for electrolyte and electrode materials,such as total con-ductivity,electronic conductivity and ion conductivity measurements are introduced. Besides,the issues which should be noticed are pointed out in these measurements.【期刊名称】《中国工程科学》【年(卷),期】2013(000)002【总页数】9页(P57-65)【关键词】导电机理;电解质;电极;电导率;固体氧化物燃料电池【作者】贺贝贝;潘鑫;夏长荣【作者单位】中国科学技术大学，中国科学院能量转换材料重点实验室，合肥230026;中国科学技术大学，中国科学院能量转换材料重点实验室，合肥230026;中国科学技术大学，中国科学院能量转换材料重点实验室，合肥230026【正文语种】中文【中图分类】TM911.4材料的电导性能是决定其用途的一个重要因素。
电导率、迁移率、霍耳效应ppt
② 温度升高到杂质饱和电离区： 杂质已全部电离，本征激发还不显著，载流子浓度基本 不变 晶格振动散射是主要的.随着温度T的升高,迁移率下降,
T↑ → μ↓ → ↑
电阻率随温度升高而增大
③ 进入本征区后 随着温度T的升高,载流子浓度迅速增加,
而迁移率μ下降,但大量本征载流子的产生远远超过迁移 率减小对电阻率的影响。
NI ↑→电离杂质散射渐强→ μ随T 下降的趋势变缓
NI很大时（如1019cm-3）,在低温的情况下, T↑,μ ↑（缓慢）,说明 杂质电离项作用显著;在高温的情况下, T↑,μ↓，说明晶格散射作 用显著.
总之：低温和重掺杂时，电离杂质散射主要; 高温和低掺杂时，晶格振动散射主要。
室温下迁移率与杂质浓度关系
半导体片置于xy平面内
—— 电流沿x方向
—— 磁场垂直于半导 体片沿z方向
空穴导电的P型半导体， 载流子受到洛伦兹力
半导体片两端形成正负电荷的积累，产生静电场 达到稳恒，满足
电流密度 电场强度
—— 霍耳系数 电子导电的N半导体 电场强度
—— 霍耳系数
—— 霍耳系数
—— 霍耳系数
—— 半导体的霍耳系数与载流子浓度成反比 —— 半导体的霍耳效应比金属强得多 —— 测量霍耳系数可以直接测得载流子浓度 —— 确定载流子的种类
即： E，随着E的增加， E下降，因此，欧姆定律不再
成立.
⒊当E>105V/cm后, vd达到一饱和值，称为饱和漂移
速度.vd
max
107 cm
s
载流子热运动平均速度.
GaAs 电子
lg vd
Ge电子
Ge空穴
物化实验报告 电导率的测定
温度/℃ 25 30
实际温度/℃ 25.1 29.7
速率常数 mol·dm－ 3..min-1
6.4715 8.8530
由此得到乙酸乙酯皂化反应的活化能为 Ea=51.16KJ/mol. 查阅文献的乙酸乙酯皂化反应的活化能为 27.3KJ/mol.。测量值按 25.58 计算，偏差为 6.3%。
1.5 误差分析 ①氢氧化钠溶液滴定时引起的误差。 本实验中氢氧化钠溶液的浓度很低， 氢氧化钠极易与 空气中的二氧化碳反应造成浓度的改变， 整个滴定过程时间不算短， 因此锥形瓶中的氢氧化 钠溶液的浓度在不断降低。此外，滴定终点的判断和读数引起的误差，都会造成氢氧化钠溶 液浓度滴定的不准确。 ②温度引起的误差。实验设想在 25 和 30℃下测量反应体系的速率常数。由于恒温槽的不 稳定或出于边缘的温度，会造成在测量时温度在 0.1℃的范围内跳动。由于速率常数受温度 影响较大，因此温度的不恒定会造成误差。 ③整个皂化反应测量只有 35 分钟， 反应的转化率还较低。 在作图时发现， 如果以
L
1 A Lg R l
式中 A 为导体的截面积，l 为导体的长度，Lg 称电导率。它的物理意义是：当 l=1m，A=1m2 时的电导。对一种金属，在一定温度下，Lg 是一定的。对电解质溶液的 Lg 不仅与温度有关， 而且与溶液中的离子浓度有关。在有多种离子存在的溶液中，Lg 是各种离子迁移作用的总 和，它与溶液中离子的数目，离子所带电荷以及离子迁移率有关。在本实验中，由于反应是 在较稀的水溶液中进行的，我们可以假定 CH3COONa 全部电离，反应前后溶液中离子数目 － － 和离子所带电荷不变， 但由于 CH3COO 的迁移率比 OH 的迁移率小， 随着反应的进行， OH － － 不断减少，CH3COO 的浓度不断增加，故体系电导率值会不断下降，在一定范围内，可以 － 认为体系的电导率的减少量和 CH3COO 的浓度 x 增加量成正比，在 t=t 时
霍尔效应及其应用(修)
霍尔效应及其应用霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。
1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象，故称霍尔效应。
后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。
随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著、结构简单、形小体轻、无触点、频带宽、动态特性好、寿命长，因而被广泛应用于自动化技术、检测技术、传感器技术及信息处理等方面。
在电流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。
近年来，霍尔效应实验不断有新发现。
1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。
目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。
在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。
霍尔效应也是研究半导体性能的基本方法，通过霍尔效应实验所测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型，载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
【实验目的】(1) 了解霍尔效应产生的机理及霍尔元件有关参数的含义和作用。
(2) 学习利用霍尔效应研究半导体材料性能的方法及消除副效应影响的方法。
(3) 学习利用霍尔效应测量磁感应强度B 及磁场分布。
(4) 学习用最小二乘法和作图法处理数据。
【实验原理】(1) 霍尔效应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的作用而引起的偏转。
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在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场。
这个现象叫做霍尔效应。
如图1.1所示，把一块半导体薄片放在垂直于它的磁感应强度为B 的磁场中（B 的方向沿Z 轴方向），若沿X 方向通以电流S I 时，薄片内定向移动的载流子受到的洛伦兹力B F 为：quB F B = ，其中q ,u 分别是载流子的电量和移动速度。
工作报告之霍尔效应的实验报告
霍尔效应的实验报告【篇一：霍尔效应实验报告】实验数据is 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4v1 -4.85 -7.27 -9.73 -12.11 -14.47 -16.92 -19.34 v1 -4.9 -6.58 -8.24 -9.92 -11.6 -13.27v2 5.13 7.66 10.18 12.79 15.29 17.83 20.56 v2 5.16 6.84 8.52 10.19 11.89 13.58v3 -5.13 -7.7 -10.19 -12.79 -15.29 -17.83 -20.56 v3 -5.19 -6.84 -8.54 -10.2 -11.91 -13.54v4 4.86 7.28 9.66 12.1 14.5 16.93 19.33 v4 4.9 6.6 8.26 9.98 11.62 13.28vh -4.9925 -7.4775 -9.94 -12.4475 -14.8875 -17.3775 -19.9475 vh -5.0375 -6.715 -8.39 -10.0725 -11.755 -13.4175rh -8667.53 -8654.51 -8628.47 -8644.1 -8615.45 -8619.79 -8657.77 rh -5830.44 -5828.99 -5826.39 -5828.99 -5830.85 -5823.57im 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8思考题1. 本实验是采用什么方法消除各种负效应的？1.由不等电位差引起的误差；应尽量使样品的霍尔电压测试点处于同一等位线上2.爱延豪森效应；使样品通入交流电流3.里纪-勒杜克效应；改变磁场方向4.能斯脱效应；使样品通过磁场方向v度.rhi,其中,v为载流子的迁移率,rh为电导率,i为电流 l 为导体板宽度,d 为板的厚ld【篇二：霍尔效应的应用实验报告】一、名称：霍尔效应的应用二、目的：1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用2．测绘霍尔元件的vh—is，vh—im曲线，了解霍尔电势差vh与霍尔元件工作电流is，磁场应强度b及励磁电流im之间的关系。
拥抱低维材料之未来——记中国科学院半导体研究所研究员左玉华
52 科学中国人 2019年11月【创新之路】Way of Innovation拥抱低维材料之未来——记中国科学院半导体研究所研究员左玉华□ 庞红硕纳米管、石墨烯、量子点等材料，都有一个共同的特点，那就是它们的空间维度都小于3，这种特性赋予了这些材料一个共同的名称：低维材料。
如今，以硅（S i）技术为代表的微电子技术正日新月异地发展着，但这种作为广泛使用的半导体材料，目前还存在着很多缺陷：其一是载流子迁移率低，这使得S i的微电子器件速度远远落后于其他材料；其二是硅属于间接带隙半导体，也就意味着S i不能发出可见光。
多年来，如何改进S i的特性，满足光电集成的需要，具有重大意义。
而通过改进S i 材料性能，以实现大规模S i基材料的光电集成，一直是许多科研人员的梦想，中国科学院半导体研究所研究员左玉华的梦想也在其中。
一年又一年，左玉华将硅基与低维材料相结合，始终将科研梦想扎根于新型硅基低维纳米结构材料与器件这片土地上。
她以低维硅基纳米结构复合材料作为研究重点，在S i基光电子器件、S i 基新材料以及硅基量子点太阳电池材料等多方面做了突破性探索。
硅材料作为最重要的半导体材料，已经凭借其较窄的禁带宽度、较低的生物毒性等优越特性，在信息和光伏领域里取得了很大成功，同时应用领域也在不断拓展。
在左玉华看来，低维硅基纳米结构材料将开辟新材料开发以及应用领域的新纪元。
让科研梦在硅基热土开花在实体空间中，材料往往都会表现出长、宽、高3个维度，当这些材料逐渐变薄、变细或变小，在长宽高等某些维度或全部维度的尺寸足够小时，这些材料就变成了“低维材料”。
近年来，以石墨烯为代表的低维纳米材料所表现出的电、磁、光和力学等性能吸引了众多学者的关注，也成为纳米材料具有重大潜力、能够得到广泛应用的关键所在。
左玉华同样也注意到了低维材料潜藏的巨大研究价值，尽管在清华大学材料科学与工程系就读本科时，左玉华并没有接触过稀土、钙钛矿低维材料、硅基光子晶体结构等新型材料，但这并不妨碍她的研究热情。
《半导体异质结中的电子迁移率及其压力效应》范文
《半导体异质结中的电子迁移率及其压力效应》篇一一、引言随着半导体科技的不断发展，异质结在半导体器件中扮演着重要的角色。
异质结指的是由两种不同带隙能量的半导体材料形成的界面结构，其具有优异的电子性能和光学性能。
其中，电子迁移率作为衡量半导体材料导电性能的重要参数，一直是科研工作者关注的焦点。
此外，压力对半导体异质结中电子迁移率的影响也不容忽视。
本文将重点探讨半导体异质结中的电子迁移率及其压力效应。
二、半导体异质结中的电子迁移率1. 电子迁移率的定义与影响因素电子迁移率是指电子在单位电场作用下，单位时间内通过单位面积的电子数量。
它受到材料本身的能带结构、杂质浓度、温度等多种因素的影响。
在半导体异质结中，由于两种不同带隙能量的半导体材料形成的界面结构，使得电子迁移率受到界面态、能带偏移等因素的影响。
2. 异质结中电子迁移率的提升途径为了提升异质结中电子迁移率，可以从优化材料能带结构、降低界面态密度、减小杂质散射等方面入手。
例如，采用晶格匹配的半导体材料，减小晶格失配引起的界面态密度；通过掺杂、能带工程等手段优化材料的能带结构等。
三、压力对半导体异质结中电子迁移率的影响1. 压力效应的原理压力对半导体异质结中电子迁移率的影响主要体现在改变材料的能带结构、载流子浓度以及晶格结构等方面。
当施加压力时，材料内部原子间的相互作用力增强，导致能带结构发生变化，进而影响电子的迁移率。
2. 压力对电子迁移率的具体影响在半导体异质结中，压力的施加会使得能带偏移程度发生变化，从而影响电子在异质结界面处的传输。
此外，压力还会改变载流子浓度和晶格结构，进一步影响电子的迁移率。
实验结果表明，在一定压力范围内，适当的压力可以提升电子迁移率；然而，过大的压力则可能导致电子迁移率降低。
四、实验研究及结果分析为了探究半导体异质结中电子迁移率及其压力效应，我们采用了一系列实验手段。
通过测量不同压力下异质结的电导率和载流子寿命等参数，计算得出电子迁移率的变化情况。
霍尔效应测磁场实验报告(共7篇)
篇一：霍尔元件测磁场实验报告用霍尔元件测磁场前言：霍耳效应是德国物理学家霍耳（a.h.hall 1855—1938）于1879年在他的导师罗兰指导下发现的。
由于这种效应对一般的材料来讲很不明显，因而长期未得到实际应用。
六十年代以来，随着半导体工艺和材料的发展，这一效应才在科学实验和工程技术中得到了广泛应用。
利用半导体材料制成的霍耳元件，特别是测量元件，广泛应用于工业自动化和电子技术等方面。
由于霍耳元件的面积可以做得很小，所以可用它测量某点或缝隙中的磁场。
此外，还可以利用这一效应来测量半导体中的载流子浓度及判别半导体的类型等。
近年来霍耳效应得到了重要发展，冯﹒克利青在极强磁场和极低温度下观察到了量子霍耳效应，它的应用大大提高了有关基本常数测量的准确性。
在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍耳器件，会有更广阔的应用前景。
了解这一富有实用性的实验，对今后的工作将大有益处。
教学目的：1. 了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性。
2. 掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。
3. 学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。
教学重难点： 1. 霍尔效应2. 霍尔片载流子类型判定。
实验原理如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中，其平面与磁场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（m、n和p、s），径电极m、n 通以直流电流ih，则在p、s极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。
这电势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片就是霍尔片。
图片已关闭显示，点此查看假设霍尔片是由n型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极m、n上通过的电流由m极进入，n极出来（如图），则片中载流子（电子）的运动方向与电流is的方向相反为v,运动的载流子在磁场b中要受到洛仑兹力fb的作用，fb=ev×b，电子在fb的作用下，在由n→m运动的过程中，同时要向s极所在的侧面偏转（即向下方偏转），结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（p极所在侧面）带正电，在上下两侧面之间就形成电势差vh，即霍尔电势差。
半导体物理_电子科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
半导体物理_电子科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.对应于n型半导体，电子为（）参考答案:多子2.硅肖特基二极管的特点（）参考答案:开关速度快_不存在少子存储效应_反向泄漏电流较PN结二极管大3.施主杂质能级的作用包括以下（）参考答案:提供导带电子_散射中心4.考虑镜像力后，金属半导体接触的势垒高度将()参考答案:降低5.密勒指数是描写布喇菲点阵中晶面方位的一组互质的整数。
参考答案:正确6.半导体中载流子的电输运包括（）。
参考答案:漂移_扩散7.某Si半导体掺有2×10^17cm^-3的硼原子以及 3×10^16cm^-3的磷原子，那么此Si半导体主要是（）导电。
参考答案:空穴8.在纯Ge中掺入下列（）元素，Ge将变为p型半导体。
参考答案:In9.电子的漂移电流的方向，与()相同。
参考答案:电场方向10.室温下，n-Si中的电子浓度为空穴浓度的10000倍，则其费米能级位于（）。
参考答案:禁带中线之上11.决定半导体的载流子迁移率的因素有（）。
参考答案:电导有效质量_温度12.对于工作在强电场下（达到速度饱和）的本征半导体，决定其迁移率的主要的散射机制是（）。
参考答案:光学波声子散射13.下列关于硅的电子电导率的描述正确的是（）。
参考答案:室温下，同一块本征硅的电子电导率比空穴电导率大14.对于某均匀掺杂的半导体，若当体内某处电场与浓度梯度的方向相同时，多子漂移电流密度与多子扩散电流密度方向相反，则该半导体的掺杂类型为（）。
参考答案:P型15.下列情形中，室温下扩散系数最小的为( )。
参考答案:含硼、磷的硅16.在某温度范围内，一定掺杂的硅的电阻率随温度升高而增大，涉及的物理机理有（）。
参考答案:晶格散射为主_杂质完全电离17.电子迁移率通常高于空穴迁移率，这是由于电子电导有效质量（）空穴电导有效质量。
参考答案:小于18.假设其它条件不变，可以通过（）降低半导体材料的电阻率。
电导率和载流子迁移率
若所掺杂质的价态小于基质的价态，这种杂 质是受主杂质，它的能级处在禁带中靠近价 带顶的位置（受主能级），受主杂质很容易 被离化，离化时从价带中吸引电子，变为负 电中心，使价带中出现空穴，呈空穴导电性 质，这样的半导体为p 型半导体。
电导率和载流子迁移率
载流子的浓度和运动状态对半导体的导电性质 和发光性质等起到关键的作用。 当电流I 通过长为L 横截面积为S 的导体后电 压降V，则电导率（单位电场强度产生的电 流密度）：
半导体是指具有中等程度导电性的材料， 其电导率一般在
10 ~ 10 m 金属是指良导体，电导率的量级
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绝缘体是指具有极低电导率的材料
10 m
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~ 10
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在相同电流强度和磁感应强度的条件下，半 导体材料的霍耳效应比金属大多个数量级左 右。这是因为半导体的载流子浓度比金属的 自由电子浓度要小许多数量级。因此，在半 导体和金属中要得到相同电流强度，半导体 载流子的速度就要大许多。而速度大，所受 的洛伦兹力就大，与之相平衡的静电力就大， 所以霍耳效应就大。
霍尔系数和霍尔迁移率
霍耳电场的大小是与电流密度j和磁场B的乘 积成正比的，可写成
式中的比例系数RH 叫做霍耳系数。若电流 是均匀的，电流密度可表为j = I / wd， 霍耳电场与霍尔电压的关系 V H W为霍耳电压电两端的距离。
wE H
式中各量单位为I（安培）、V （伏特）、 d H （厘米）、B（高斯）、 R H (cm3 / C ) 霍尔系数物理意义：单位磁感应强度对单位 电流强度所能产生的最大霍耳电场强度。
不等位电势： 测量电压的电极位 置不对称，通电时处于不同的等 位面，这是即使没有磁场，也有 电位差存在。而在测量霍耳效应 时，将叠加到霍尔电压上。在实 验之前应校准并消除。
【精选】霍尔效应测量空间磁场分布 doc资料
霍尔效应测量空间磁场分布霍尔效应法测量空间的磁场实验者同组实验者: 指导教师:鲁晓东【摘要】 :测量某霍尔片的性质时,为了消除副效应对实验结果的影响,通常采用“对称测量法” 在现实生活中, 如果直接测量某磁场的分布状况是很困难的, 但利用霍尔效应电压与磁场的线性关系,通过测量元件两端的电压就可轻松得知空间某区域的磁场分布。
【关键词】 :霍尔电流、霍尔电压、对称测量法、磁场分布。
一、引言霍尔效应是磁电效应的一种。
置于磁场中的载流体, 当其电流方向与磁场垂直, 在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场,这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于 1879年发现的,后被称为霍尔效应。
如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段, 而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。
在工业生产要求自动检测和控制的今天, 作为敏感元件之一的霍尔器件, 将有更广泛的应用前景。
二、设计原理1. 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。
在试样中通以电流时, 由于正负电荷受力方向相反, 则在两极可以积累偏转电荷, 产生电压即形成电场,又知电荷所受电场力与洛仑兹力方向相反,当两者动态平衡时有:dB I S dB I neb E V H HH H H ===1所以又可得出 HHH H S d K S I d V B ∙==(1其中 V H 为霍尔电压, B 为外磁场, d 为霍尔片厚度; S H 为霍尔系。
其物理意义是:在恒定霍尔电流情形下, V H 与 B 是成正比的。
在实际应用中,一般通过 V H 来研究 B 的分布或 V H 通过来研究 S H 即材料的特性。
值得注意的是, 在产生霍尔效应的同时, 因伴随着各种副效应, 以致实验测两极间的电压并不等于真实的霍尔电压 VH 值,而是包含着各种副效应所引起的附加电压 V E 、热磁效应直接引起的附加电压 V H 、热磁效应产生的温差引起的附加电压 V RL 。
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实验目的
1. 了解半导体中霍尔效应的产生原理，霍 尔系数的意义及其副效应的产生和消除； 2. 掌握利用霍尔效应测量材料的电输运性 质的原理和实验方法； 3. 验证碲镉汞单晶样品P型导电到N型导电 的转变。 4.从液氮温度开始，测量温度变化对霍尔效 应的影响。
原理
没有人工掺杂的半导体称为本征半 导体，本征半导体中的原子按照晶 格有规则地排列，产生周期性势场。 在这一周期势场的作用下，电子的 能级展宽成准连续的能带。
变温霍尔效应
中国科技大学
轩植华
1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的 导体在磁场中受力的情况时，发现在垂直于 磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电 磁效应称为“霍尔效应” 。 1985年德国克利青发现量子霍耳效应获得诺 贝尔奖。 1998年普林斯顿大学的崔琦、斯坦福大學的 Laughlin，哥倫比亞大學的Stormer 因研究 量子霍尔液体获得诺贝尔奖。
半导体的电导率介于导体和绝缘体之间。以 室温下的铜和硅为例，后者小13个量级。 且金属电阻随温度增加而增加，半导体则随 温度增加减小，即温度越高，导电性越好。
利用霍尔效应，可以确定半导体的导电类型 和载流子浓度，利用霍尔系数和电导率的联 合测量，可以用来研究半导体的导电机构 (本征导电和杂质导电)和散射机构(晶格散 射和杂质散射)，进一步确定半导体的迁移 率、禁带宽度、杂质电离能等基本参数。
半导体是指具有中等程度导电性的材料， 其电导率一般在
10 ~ 10 m 金属是指良导体，电导率的量级
6 4 1
绝缘体是指具有极低电导率的材料
10 m
7
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~ 10
20
m
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在相同电流强度和磁感应强度的条件下，半 导体材料的霍耳效应比金属大多个数量级左 右。这是因为半导体的载流子浓度比金属的 自由电子浓度要小许多数量级。因此，在半 导体和金属中要得到相同电流强度，半导体 载流子的速度就要大许多。而速度大，所受 的洛伦兹力就大，与之相平衡的静电力就大， 所以霍耳效应就大。
若空穴的平均漂移速度为 v p ，电流密度可写成：
式中p为空穴浓度，e 为电子电荷。
其中μp为空穴漂移的迁移率，它 定义为单位电场强度作用下空穴载流 子所获得的平均漂移速度。 此式为空穴的电导率。
对于n 型半导体
其中n 为电子浓度， μn 是电子迁移率。 半导体中同时有两种载流子导电时， 电导率 为二者之和。
半导体的导电性质就是由导带中带负电荷的 电子和价带中带正电荷的空穴的运动所形成 的。这两种粒子统称载流子。本征半导体中 的载流子称为本征载流子，它主要是由于从 外界吸收热量后，将电子从价带激发到导带， 其结果是导带中增加了一个电子而在价带出 现了一个空穴，这一过程成为本征激发 。
为了改变半导体的性质，常常进 行人工掺杂。不同的掺杂将会改 变半导体中电子或空穴的浓度。
束缚在原子周围化学键上的电子能量较 低，它们所形成的能级构成价带； 脱离原子束缚后在晶体中自由运动的电 子能量较高，构成导带； 导带和价带之间存在的能带隙称为禁带。
Conduction band
Energy gap
Valance band
each band consists of a very large number of closely lying energy levels. The energy gap between the valence band and the conduction band is much smaller for a semi-conductor than that for an insulator, so that there is a real possibility for electrons to “jump the gap” into the empty band by thermal agitation .
若所掺杂质的价态大于基质的价态，在和基 质原子键合时就会多余出电子，这种电子很 容易在外界能量（热、电、光能等）的作用 下脱离原子的束缚成为自由运动的电子（导 带电子），所以它的能级处在禁带中靠近导 带底的位置（施主能级过程称为电离 过程，离化后的施主杂质形成正电中心，它 所放出的电子进入导带，使导带中的电子浓 度远大于价带中空穴的浓度，因此，掺施主 杂质的半导体呈现电子导电的性质，称为n 型半导体。
随着温度升高，部分电子由于热 运动脱离原子束缚，成为具有导 带能量的电子，它在半导体中可 以自由运动，产生导电性能，这 就是电子导电。
而电子脱离原子束缚后，在原来所在的原子 上留下一个带正电荷的电子的缺位，通常称 为空穴，它所占据的能级就是原来电子在价 带中所占据的能级。因为邻近原子上的电子 随时可以来填补这个缺位，使这个缺位转移 到相邻原子上去，形成空穴的运动，产生空 穴导电。
在绝对零度条件下，半导体的电子全部束缚 在原子上，能量低，处于价带。温度升高时， 部分电子由于热运动，脱离原子的束缚，进 入导带。所以温度升高，半导体的电导率升 高。 而金属温度升高导致电子与原子以及电子与 电子的碰撞加剧，电导降低，电阻增加。
根据霍尔效应原理制成的霍尔器 件，可用于磁场和功率测量，也 可制成开关元件，在自动控制和 信息处理等方面有着广泛的应用。
若所掺杂质的价态小于基质的价态，这种杂 质是受主杂质，它的能级处在禁带中靠近价 带顶的位置（受主能级），受主杂质很容易 被离化，离化时从价带中吸引电子，变为负 电中心，使价带中出现空穴，呈空穴导电性 质，这样的半导体为p 型半导体。
电导率和载流子迁移率
载流子的浓度和运动状态对半导体的导电性质 和发光性质等起到关键的作用。 当电流I 通过长为L 横截面积为S 的导体后电 压降V，则电导率（单位电场强度产生的电 流密度）：