Hall效应测试仪解析.pptx

霍尔霍尔效应系统效应系统用于测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数，而这些参数是了解半导体材料电学特性必须的，因此霍尔效应测试仪是理解和研究半导体器件和半导体材料电学特性必备的工具。一、霍尔效应基本原理1、霍尔效应、霍尔效应将一块半导体或导体材料，沿将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场方向加以磁场B，沿，沿X方向通以工作电流方向通以工作电流I，则在，则在Y方向产生方向产生出电动势出电动势VH，如下图所示，这现象称为霍尔，如下图所示，这现象称为霍尔效应。效应。VH称为霍尔电压。称为霍尔电压。实验表明，在磁场不太强时，电位差与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即或 称为霍尔系数霍尔系数 称为霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度，单位为mv/(mAT)产生霍尔效应的原因是电流作定向运动，带电粒子即载流子产生霍尔效应的原因是电流作定向运动，带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的而产生的。如下图所示，一长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁场中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子电子所受到的洛仑兹力为 式中V为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷量。指向Y轴的负方向。FmFm指指向向Y Y轴轴的的负负方方向向。自自由由电电子子受受力力偏偏转转的的结结果果，向向A A侧侧面面积积聚聚，同同时时在在B B侧侧面面上上出出现现同同数数量量的的正正电电荷荷，在在两两侧侧面面间间形形成成一一个个沿沿Y Y轴轴负负方方向向上上的的横横向向电电场场E EH H（即即霍霍霍霍尔尔尔尔电电电电场场场场），使使运运动动电电子子受受到到一一个个沿沿Y Y轴轴正正方方向向的的电电场场力力FeFe，A A、B B面面之之间间的的电电位位差差为为V VH H（即（即霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压），），最后达稳定状态时有 即若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流 I=nebdV 所以称为霍尔系数霍尔系数 称为霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度 上面讨论的是N型半导体样品产生的霍尔效应，B侧面电位比A侧面高；对于P型半导体样品，由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴，与N型半导体的情况相反，A侧面积累正电荷，B侧面积累负电荷，此时，A侧面电位比B侧面高。由此可知，根据A、B两端电位的高低，就可以判断半导体材料的导电类型是P型还是N型。如果霍尔元件的灵敏度已知，测得了控制电流和产生的霍尔电压，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度。高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度B值的仪器。将待测的厚度为待测的厚度为d的半导体样品，放在均匀的半导体样品，放在均匀磁场中，通以控制电流磁场中，通以控制电流I，测出霍尔电压，测出霍尔电压VH，再用高斯计测出磁感应强度，再用高斯计测出磁感应强度B值，就可测值，就可测定样品的霍尔系数定样品的霍尔系数RH。又因。又因RH=1/ne（或（或1/pe），故可以通过测定霍尔系数来确定），故可以通过测定霍尔系数来确定半导体材料的载流子浓度半导体材料的载流子浓度n（或（或p）（）（n和和p分别为电子浓度和空穴浓度）。分别为电子浓度和空穴浓度）。电导率电导率 的测量的测量按图按图1所示，设所示，设A、C之间的距离为之间的距离为L，样品的横截面积为，样品的横截面积为S=bd，流经样品的电流为流经样品的电流为IS，在零磁场下，若测得，在零磁场下，若测得A、C间的电位差为间的电位差为VAC，可由下式求得。，可由下式求得。电导率电导率与载流子浓度与载流子浓度n以及迁移率以及迁移率 之间有之间有如下关系如下关系即即 ，测出值，测出值 即可求即可求 。严格地说，在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同，考虑到载流子速度的统计分布，并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移率之积，可得半导体霍尔系数的公式中还应引入一个霍尔因子，即2、霍尔效应的副效应、霍尔效应的副效应上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多，在产生霍尔电压的同时，还伴生有四种副效应，副效应产生的电压叠加在霍尔电压上，造成系统误差。（1）厄廷豪森（厄廷豪森（Eting hausen）效应）效应 1887年厄廷豪森发现，由于载流子的速度不相等，它们在磁场的作用下，速度大的受到的洛仑兹力大，绕大圆轨道运动，速度小则绕小圆轨道运动，这样导致霍尔元件的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯度。因而产生温差效应，形成电势差（2）能斯特（能斯特（Nernst）效应）效应 由图所示由于输入电流端引线由图所示由于输入电流端引线a a、b b点处的电阻点处的电阻不相等，通电后发热程度不同，使不相等，通电后发热程度不同，使a a和和b b两端之间两端之间出现热扩散电流，在磁场的作用下，在出现热扩散电流，在磁场的作用下，在c c、e e两端两端出现横向电场，由此产生附加电势差，记为出现横向电场，由此产生附加电势差，记为 。其方向与其方向与 无关，只随磁场方向而变。无关，只随磁场方向而变。1234abce（3）里纪里纪勒杜克（勒杜克（RighiLeduc）效应）效应 由于热扩散电流的载流子的迁移率不 同，类似与厄廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度，产生附加电势差，记为 ，其方向只与磁场方向有关，与 同向。1（4）不等电势差 不等电势差是由于霍尔元件的材料本身不均匀，以及电压输入端引线在制作时不可能绝对对称地焊接在霍尔片的两侧，如图所示。因此，当电流 流过霍尔元件时，在电极3、4间也具有电势差，记为 ，其方向只随 方向不同而改变，与磁场方向无关。324ce 副效应的消除 根据以上副效应产生的机理和特点，除厄廷豪森副效应 外，其余的都可利用异号测量法消除影响，因而需要分别改变 和B的方向，测量四组不同的电势差，然后做适当数据处理，而得到 。3、Hall效应系统LakeshoreLakeshore霍尔效应系统霍尔效应系统可测试材料：可测试材料：半导体、金属、超导体；薄膜和块状材料；单晶半导体、金属、超导体；薄膜和块状材料；单晶和多晶；单载流子和多载流子。和多晶；单载流子和多载流子。应用应用:测量分析载流子分布，以评估多层材料特性，并测量分析载流子分布，以评估多层材料特性，并测量多载流子的具体性能。测量多载流子的具体性能。通过测量活动载流子的密度来检查掺杂效力。通过测量活动载流子的密度来检查掺杂效力。检查诸如：检查诸如：CVDCVD和和MBEMBE的半导体生长系统的纯度。的半导体生长系统的纯度。控制半导体生产中的质量。控制半导体生产中的质量。组成磁铁(可达10K高斯)高斯计精密电流源精密电压、电流计控制器软件系统4、Hall效应系统测试步骤开机顺序1、打开水闸2、打开磁铁电源3、打开控制电源4、打开电脑和运行软件关机顺序：关电脑和软件关控制电源关磁铁电源关水阀磁铁的选择温度的选择高低阻的选择