半导体磁效应ppt课件.pptx
《半导体磁效应ppt课件.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体磁效应ppt课件.pptx(55页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、半导体磁效应,浙江大学固体电子材料与器件实验室,霍尔效应磁阻效应磁光效应量子霍尔效应热磁效应光磁电效应,Content,一种载流子的霍尔效应载流子在电磁场中的运动两种载流子的霍尔效应霍尔效应的应用,霍尔效应,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”1980年,德国物理学家冯克利青发现整数量子霍尔效应。他因此获得1985年诺贝尔物理学奖。1982年,崔琦、施特默和赫萨德(A.C. Gossard)发现了分数量子霍尔效应,前两者因此与劳赫林(Robert Betts Laughlin)分享
2、了1998年诺贝尔物理学奖。,一种载流子的霍尔效应,n型半导体及p型半导体的霍尔效应,霍尔电场Ey与电流密度Jx电和磁感应强度By成正比,即:比例系数RH为霍尔系数,即:霍尔系数的单位为:m3C-1,霍尔系数,以p型半导体为例,当横向电场对空穴的作用和洛伦兹力平衡时,达到稳定状态,横向霍尔电场满足:因此霍尔电场Ey :霍尔系数RH为:对于n型半导体,类似的,得到,n型半导体,型半导体,横向霍尔电场的存在说明,在有垂直磁场时,电场和电流不在同一方向,两者之间的夹角称为霍尔角。霍尔角满足:对于p型和n型的半导体,霍尔角的符号也不同,p型为正,n型为负。,霍尔角,实验中通常通过测量VH 以求得RH,
3、 采用厚度和宽度比长度小得多的样品,如下图所示,得到所以注意:霍尔电压还和样品形状有关,表现为其中 当l/b=4时, 趋近于1。,设电子在电场强度为E,磁感应强度为B的电磁场中运动,电子的运动方程为:电子的运动由两部分组成,一是初速度为v0的只在B的作用下运动,二是在E、B共同作用下但初速度为零的运动。第一部分的运动在电子受到多次散射后平均速度应为零,因此只需分析第二种运动,即认为每两次散射之间,初速度都为零。设E=(Ex , Ey , 0),B=(0 , 0 , Bz ),则电子的运动方程为 :,载流子在电磁场中的运动,当t=0时,v=0,可解得它的运动轨迹表示的是下图以 为轴的旋轮线(Cy
4、cloid),通过计算得到多次散射后的平均速度为式中, N0为t=0时未收到散射的电子数, 为平均自由时间,假定其为常数。这样,在E、B的作用下,电流密度为,霍尔电导率,引入霍尔电导率和霍尔电导的概念,上式可以改写为式中有时分别称 为霍尔电导率和霍尔电阻率。,稳态时,电子的运动轨迹为下图中的蓝色弧线轨迹,此时 Jy =0,由上式求解得Jx 的表达式为,电子在电磁场中的运动轨迹,前面的分析都没有考虑载流子的速度统计分布,如果计及载流子速度分布,就要考虑玻尔兹曼方程。对于p型半导体,考虑载流子的速度统计分布,得到:因此有同理对于n型半导体,回顾载流子迁移率的表达式我们把霍尔系数乘上电导率并取绝对值
5、,得到该表达式与载流子迁移率有相同的量纲,只是统计计算方法不同,因此我们定义该表达式为霍尔迁移率,用 表示。,霍尔迁移率,霍尔迁移率与迁移率的比值为对于简单能带结构的半导体, 没什么区别, 的值同不同的散射过程有关,对于球形等能面非简并半导体来说,长声学波散射时, ,电离杂质散射时, 。对于高度简并的半导体,则有 。引进 后,霍尔系数和霍尔角分别为,当半导体中同时纯在两种载流子时,有四种横向电流分量分别由空穴电流密度和电子电流密度组成。假设稳定时,横向电场Ey 沿+y方向。空穴电流密度由洛伦兹力引起的空穴电流密度沿-y方向,其值为由霍尔电场引起的空穴电流密度沿+y方向,其值为 总空穴电流密度电
6、子电流密度由洛伦兹力引起的电子电流密度沿+y方向,其值为由霍尔电场引起的电子电流密度沿+y方向,其值为 总电子电流密度,两种载流子的霍尔效应,稳定后横向电流为零注意:虽 横向电流为零,但电子和 空穴在 y 方向各自的电流并不为零则因为代入得,所以令 ,则计及载流子速度统计分布,则当磁场很强时,对大多数半导体来说,电子的迁移率大于空穴的迁移率,所以有b1。下面的讨论都假设b1。在低温时,半导体的载流子浓度主要由杂质提供,随着T的升高,半导体中载流子的来源则经历从饱和区、过渡区,到最后的主要来源于本征激发区。不同的温度阶段, RH 变化不同。本征半导体(n=p= ni)随着T的升高,n和p都变大,
7、即ni变大,所以RH 变小,并且总有RH 0。,RH 与T的关系,型半导体饱和区:载流子主要由杂质电离贡献,即 此时有过渡区:随着T的升高,又分为三段本征区:,n型半导体饱和区:载流子主要由杂质电离贡献,即 此时有本征区:随着T的升高, 逐渐变大, 且 逐渐变小。,测定载流子的浓度和迁移率n型和p型半导体的霍尔电场方向相反,故霍尔系数的符号是相反的,由此可以来判断半导体的类型;通过测得的RH 与可以求得载流子的浓度;在测出电导,可以得到霍尔迁移率。根据电导和载流子浓度的测量结果,与理论计算的结果比较,可以会的带隙宽度、杂质电离能和杂质浓度等信息。,霍尔效应的应用,制作霍尔器件选用迁移率高的半导
8、体材料,在同样电场作用下,漂移速度大,加磁场后载流子受到的洛伦磁力大,霍耳效应明显。常选用锑化铟 、砷化铟 、锗 作霍尔器件。霍尔广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量,频率响应宽,寿命长,可靠性高。,物理磁阻效应几何磁阻效应磁阻效应的应用,磁阻效应,由于磁场的存在引起电阻的增加,称这种效应为磁阻效应。以下我们只讨论横向磁阻效应,磁阻效应的类型,如图,若不计及载流子的速度分布,则稳定时全部载流子以Vx的速度沿电场方向运动,则没有表现出横向磁阻效应。 若计及载流子的速度分布,则当载流子速度V大于或者小于Vx时,速度会横向分量,因此受到受到散射的概率变大,导致垂直方向的电流变小,因此产生
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半导体 磁效应 ppt 课件
![提示](https://www.31ppt.com/images/bang_tan.gif)
链接地址:https://www.31ppt.com/p-1319022.html