第八章半导体的磁效应-朱俊课件.ppt

1、半导体的磁性质半导体的磁性质-霍尔效应霍尔效应掌握掌握半导体的霍尔效应半导体的霍尔效应了解了解半导体的磁阻效应半导体的磁阻效应主要内容：主要内容：1学时学时1.P型半导体霍耳效应的形成过程型半导体霍耳效应的形成过程 一、一、P型半导体霍尔效应型半导体霍尔效应 8-1 半导体的霍尔效应把通有电流的半导体放在均匀的磁场中，电场沿把通有电流的半导体放在均匀的磁场中，电场沿x方向方向磁场沿磁场沿z方向，和样品垂直，则在样品的方向，和样品垂直，则在样品的+y或或-y将产生将产生一个横向的电场一个横向的电场Ey，即，即霍尔效应霍尔效应。不考虑载流子的速度的统计分布，具有相同的速度；不考虑载流子的速度的统计

2、分布，具有相同的速度；其次，样品的温度是均匀的。其次，样品的温度是均匀的。BzdbVHIlBAzyx+_fxfLfy电场力：电场力：f=qEx 磁场力：磁场力：fL=qVxBz y方向的电场强度为：方向的电场强度为：y 平衡后：平衡后：0yLqEfyLxzyxzqEfqV BEV BfxfLqypqJVpqVJxxxxxzyxzJ BEJ Bpq 令：令：pqRPH1)()xzyHPxzJ BERJ Bpq（RH）P为为P型材料的霍尔系数型材料的霍尔系数。2.求霍尔系数求霍尔系数(RH)P和载流子浓度和载流子浓度p设样品长度为设样品长度为l，宽度为，宽度为b，厚度为，厚度为d：xxHyIJbd

3、VEbVH为霍尔电压为霍尔电压 zxHHzxHHBIdVRdBIRV 3.求霍尔角求霍尔角及空穴迁移率及空穴迁移率和电导率和电导率 xyqyfLP型材料：型材料：zPxzxxyPBBVtgZPPBtgJ横向电场的存在，使得在有垂直的磁场时，电场和电流横向电场的存在，使得在有垂直的磁场时，电场和电流不在同一个方向。两者之间的夹角称为不在同一个方向。两者之间的夹角称为霍尔角霍尔角。迁移率和磁场及迁移率和磁场及霍尔角的关系是：霍尔角的关系是：lxHyVlVb/yHPxlVbtgVlX方向的电压方向的电压y方向的电压方向的电压zPHPPzPPHxzxPHxyPBRtgBRBJRtg)()()(二、二、

4、N 型半导体的霍尔效应型半导体的霍尔效应 1霍尔效应的形成过程霍尔效应的形成过程 假设对假设对 N N 型半导体加的磁场、电场与型半导体加的磁场、电场与 P P 型相型相同，达到稳态，同，达到稳态，y y 方向无净电荷流动方向无净电荷流动 ()yxzqqV B yxzV B xxJnqVxxJVnq1()yxzHnxzxzJ BnqRJ BJ B 1()HnRnq N 型型材材料料的的霍霍尔尔系系数数 2 2霍尔角霍尔角 yxznxznnzxxxV BBtgB nnztgB()nHnnztgRB()nnHnztgRBxyJ两种载流子两种载流子同时存在同时存在霍尔效应霍尔效应？三、两种载流子同时

5、存在时霍尔效应三、两种载流子同时存在时霍尔效应 1霍霍尔尔效效应应的的形形成成过过程程及及霍霍尔尔系系数数 RH 空穴在磁场力作用下，漂移运动发生偏转，使电流产生横向分量，形成的横向电流BpyJ；电子在磁场力作用下，漂移运动发生偏转，使电流产生横向分量，形成的横向电流BnyJ；电子和空穴在 y 方向霍尔场作用下形成的电流pyJ，nyJ 有四种横向电流分量：有四种横向电流分量：(1)y 方向的空穴电流密度方向的空穴电流密度(Jp)y 假设稳定后，横向电场沿+y 方向 洛仑磁力：yxzFqV B 电场力：Fq()BpypxzJpqV B 又xpxV y方向pJpq 2()BpypxzJpqB ()

6、pypyJpq 2()()()BpypypypypxzJJJpqpqB (2)y 方方向向上上的的电电子子电电流流密密度度(Jn)y 2()()()BnynynynxznyJJJnqBnq +y方向稳定时，横向电流为 0()()0ypynyJJJ22()()0npynpxznqpqnqpqB22pnyxzpnpnBpn()()()xpxnxpnxJJJpqnq 2221pnyxzxzpnpnJ BJ Bqpn2221pnHpnpnRqpn令令：npb221()()HpnbRq pnb2RH与与 T 的关系的关系(1)本本征征半半导导体体：n=p=ni 2211(1)(1)HiibbRqnbqn

7、b例例如如：ZnS *00.013nmm278800/ncmv s*00.6pmm2750/pcmv s100b1HiRqn 1/TRH()(2)p型半导体型半导体 饱和区 ApNn10HARqN 过渡区 但 p-nb2 0，RH 0 当 nb2=p 时，RH0 T，nb2p，RH0 但nb2，|RH|当 时，RH达到负的最大值 1ANnb1/TRH(+)(+)()()本征区(3)N 型半导体型半导体 饱和区 DnNp2nbp10HDRqN 2pnb2()p nbHR无论温度多高，RH 始终小于0，并且随T 升高，始终下降。1/TRH()()ND或或NA升高，升高，RH下降，下降，RHT 变化

8、规律一样变化规律一样 四、霍尔效应的应用四、霍尔效应的应用 1判别极性，测半导体材料的参数2霍尔器件 zxyBJ3探测器 由于磁场的存在引起电阻的增加，称这种效应为磁阻效应。一、磁阻效应的类型一、磁阻效应的类型 按电磁场的关系分按电磁场的关系分 纵向磁阻效应：纵向磁阻效应：B/，磁阻变化小，不产生，磁阻变化小，不产生VH 横向磁阻效应：横向磁阻效应：B，磁阻变化明显，产生，磁阻变化明显，产生VH 按机理分：按机理分：slR由于电阻率由于电阻率 变化引起的变化引起的R变化变化 物理磁阻效应物理磁阻效应 由于几何尺寸由于几何尺寸l/s的变化引起的的变化引起的R变化变化 几何磁阻效应几何磁阻效应 磁

9、阻的大小：或 000RRRRRBBBBB000000111二、物理磁阻效应二、物理磁阻效应 1一种载流子一种载流子 P型：电场加在型：电场加在x方向，磁场在方向，磁场在z方向方向 yqy:zxBqVy:达到稳定时：达到稳定时：zxyBqVqxvxlfqyVVxVVxVVx的空穴的空穴：偏向磁场力作用的方向偏向磁场力作用的方向 只考虑一种载流子的材料的磁阻效应，通常只考虑一种载流子的材料的磁阻效应，通常用用：20()mHzTB Tm为磁阻系数为磁阻系数 H为霍尔迁移率，它表示载流子在单位磁为霍尔迁移率，它表示载流子在单位磁场强度下的偏转强度场强度下的偏转强度 2同时考虑两种载流子同时考虑两种载流

10、子 Bz=0、=x 时，电子逆电场方向运动，形成电场方向电流电子逆电场方向运动，形成电场方向电流Jn 空穴沿电场方向运动，形成电场方向电流空穴沿电场方向运动，形成电场方向电流Jp 总电流：总电流：J0=Jn+Jp+JJpJn(a)JnJp+y(b)J+Bz0JJJJpn 电阻升高 此种磁阻效应表示为：此种磁阻效应表示为：220200zHBR222)()1(pnbbnpb为横向磁阻系数为横向磁阻系数 RHo为弱磁场时的霍尔系数 所谓弱场，一般指：所谓弱场，一般指：1tg1B 0为无磁场时的电导率为无磁场时的电导率 三、几何磁阻效应三、几何磁阻效应 1长条样品长条样品(N型型)Bz=0，=x Bz0 IJBzEEJIIBx2园盘形样品园盘形样品 称为Corbion效应 ILBz四、磁阻效应的应用四、磁阻效应的应用 磁敏电阻：结构简单，灵敏度高，但要求迁移率高。Time is limited.Although there are many interesting things I want to teach you,we have to make anEnd!Edited by Prof.Dr.J.Zhu