北京大学：《近代物理实验 Modern Physics Laboratory》课程教案（独立实验）_9-1 硅的霍耳系数及电阻率的测量.pdf_大学文库

91硅的霍耳系数及电阻率的测量(教案) 实验的目的要求 1.通过在不同温度条件下对高阻P型Si的霍尔系数和电阻率的测量,了解半导体内存在本征导电和杂质导电、晶格散射和杂质散射等物理过程 2.通过实验测量,由霍尔系数的符号确定载流子的类型,并且确定禁带宽度Eg、净杂质浓度NA、载流子浓度P和n及迁移率μ等基本参数。教学内容: 让学生熟悉永磁魔环的磁场分布,学会正确地变换永磁魔环的磁场方向。 2.了解霍尔样品的制备和安装、样品架及其在杜瓦瓶和永磁魔环中的安装要求:(1)样品应处于永磁魔环中央;(2)确保磁场方向分别与样品表面平行和垂直 3.熟悉霍耳效应测试设备,掌握正确测定P型Si霍尔系数和电阻率的方法。 4.测量室温到165℃温度范围内样品的电阻率和霍尔系数 5.总结分析得到的结果,看存在那些规律,并对此作出解释实验过程中可能涉及的问题:(有的可用于检查予习的情况,有的可放在实验室说明牌上作提示,有的可在实验过程中予以引导,有的可安排为报告中要回答的问题,不同的学生可有不同的要求) 学习了解P型硅电阻率和霍尔系数随温度的变化关系,以及产生这种变化的原因。 2.学习掌握通过霍尔系数和电阻率测量来确定材料的迁移率μ、净杂质浓度N4、载流子浓度P和n以及禁带宽度Eg等基本参数。 3.在BWH-1型霍尔效应测试仪上待测电压V1、Vn和Vm的含义是什么?实验测得电势差 V■(0,+1)和Vm(0,-1)是如何形成的?如何利用测得的V1和-V1、Vn和_Vn、Vm (0,+1)和Vm(+H,+1)、Vm(0,-1)和Vm(-H,-I)计算电阻率和霍尔系数? 4.在本实验中那些因素影响霍尔系数的正确测量?怎样克服这些因素的影响? 5.利用永磁魔环代替传统电磁体进行霍尔系数测量的优点是什么?在测量方法上有什么不同? 6.在实验测量过程中,霍尔效应测试仪上样品温度为什么与温度控制仪显示的温度不致?如何调节加热电压使样品温度尽快达到平衡

9-1 硅的霍耳系数及电阻率的测量（教案）实验的目的要求： 1．通过在不同温度条件下对高阻 P 型 Si 的霍尔系数和电阻率的测量，了解半导体内存在本征导电和杂质导电、晶格散射和杂质散射等物理过程。 2．通过实验测量，由霍尔系数的符号确定载流子的类型，并且确定禁带宽度 Eg 、净杂质浓度 NA、载流子浓度 p 和 n 及迁移率 μ 等基本参数。教学内容： 1．让学生熟悉永磁魔环的磁场分布，学会正确地变换永磁魔环的磁场方向。 2．了解霍尔样品的制备和安装、样品架及其在杜瓦瓶和永磁魔环中的安装要求：（1）样品应处于永磁魔环中央；（2）确保磁场方向分别与样品表面平行和垂直。 3．熟悉霍耳效应测试设备，掌握正确测定 P 型 Si 霍尔系数和电阻率的方法。 4．测量室温到 165 ℃温度范围内样品的电阻率和霍尔系数。 5．总结分析得到的结果，看存在那些规律，并对此作出解释。实验过程中可能涉及的问题：（有的可用于检查予习的情况，有的可放在实验室说明牌上作提示，有的可在实验过程中予以引导，有的可安排为报告中要回答的问题，不同的学生可有不同的要求） 1．学习了解 P 型硅电阻率和霍尔系数随温度的变化关系，以及产生这种变化的原因。 2．学习掌握通过霍尔系数和电阻率测量来确定材料的迁移率 μ 、净杂质浓度 NA、载流子浓度 p 和 n 以及禁带宽度 Eg 等基本参数。 3．在 BWH−1 型霍尔效应测试仪上待测电压 VⅠ、VⅡ和 VⅢ的含义是什么？实验测得电势差 VⅢ（0，+I）和 VⅢ（0，− I）是如何形成的？如何利用测得的 VⅠ和−VⅠ、VⅡ和−VⅡ、VⅢ （0，+I）和 VⅢ（+H，+I）、VⅢ（0，− I）和 VⅢ（−H，− I）计算电阻率和霍尔系数？ 4．在本实验中那些因素影响霍尔系数的正确测量？怎样克服这些因素的影响？ 5．利用永磁魔环代替传统电磁体进行霍尔系数测量的优点是什么？在测量方法上有什么不同？ 6．在实验测量过程中，霍尔效应测试仪上样品温度为什么与温度控制仪显示的温度不一致？如何调节加热电压使样品温度尽快达到平衡？

7．在变温测量过程中随着样品温度逐渐升高，霍尔电压的极性发生变化，试问产生这种极性变化的原因是什么？ 8．根据实验测量结果，逐一计算不同温度条件下的电阻率ρ和霍尔系数 RH 。根据计算出的电阻率及霍尔系数，作 lnρ ~ (1000/T )及 ln RH ~ (1000/T )曲线，指出杂质电离饱和区的温度范围，并根据最高测量温度时样品的空穴浓度与杂质浓度（受主型）的比较结果，判断实验中样品是否已完全进入本征态范围。 9．利用式（9-1-1）计算杂质电离饱和区内空穴迁移率 μ LP ，并且作出 ln μ LP ~ lnT 曲线。假设 μ LP = x AT − ，计算出 A 及 x 值并与 Morin 的结果：μ Ln = 4.0 × 109 −2.6 T , μ LP = 2.5 × 108 −2.3 T （cm 2 /V⋅s）作比较。 10．利用实验数据及式（9-1-16）估算b 值，并利用式（9-1-4）在 RH 的极值温度下算出的b 值进行比较，试讨论它们之间为何会有比较大的区别。 11．利用( ) μ LP 300 = 480 cm2 /V⋅s，以及从测量得 lnρ ~ (1000 ⁄ T )曲线中查出T = 300 K 时的电阻率，求出杂质浓度 NA。 12．产生本征激发的温度范围内，利用式（9-1-5）和（9-1-2）计算空穴浓度 p 、电子浓度 n ，式中 μ LP 由杂质电离饱和区的 ln μ LP ~ lnT 曲线外推得到，b 值可由 Morin 结果式（9-1-4）得到。作 ln p ~ ( ) 1000 T 曲线和 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ 3 ln T p n ~ (1000 T ) 曲线，并且利用 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ = KT E p n AT g exp 3 ，求出硅的禁带宽度 Eg 。难点： 1．变温霍尔测量过程中，为什么温度稳定需要较长的时间？测量过程中永磁魔环转动过快会影响温度显示吗？为什么？如何消除这现象。 2．在样品架上，样品和加热丝外包裹着一层抗高温的绝缘膜，它在样品温度快速达到平衡过程中起什么作用？ 3．在霍尔电压测量过程中极性由正变为负时，有时电压显示不稳定的原因是什么？如何进行正确测量？