Применение эффекта холла для исследования полупроводниковых материалов

С помощью эффекта Холла легко можно определить тип носителей заряда. Для этого необходимо поместить исследуемый образец в магнитное поле, направление которого известно и пропустить через образец постоянный электрический ток известного направления. Тогда по знаку напряжения Холла можно определить, какой тип носителей заряда, электроны или дырки, преобладает в исследуемом полупроводнике (см. pис.1а, б).

По величине коэффициента Холла и электрическому сопротивлению образца определяют концентрацию носителей заряда и их подвижность. Этот метод часто применяют для исследования свойств полупроводниковых пленок. При изготовлении многих полупроводниковых приборов используются не массивные полупроводниковые пластины, а тонкие пленки, полученные методом эпитаксиального наращивания на различных подложках. Подложки могут быть как полупроводниковыми, так и диэлектрическими.

Свойства полупроводника в виде тонкой пленки отличаются от свойств того же материала, но в виде массивного образца. Так, напpимеp, подвижность носителей заряда в пленках обычно меньше, чем в массивных образцах, из-за дополнительного рассеяния носителей на поверхностях пленки и дефектах.

В данной работе исследуется преобразователь Холла, изготовленный в тонкой пленке антимонида индия (InSb), выращенной на подложке из арсенида галлия (GaAs).

В коэффициент Холла входит концентрация носителей заряда. Следовательно, определив коэффициент Холла, можно вычислить концентрацию носителей заряда:

или . (14)

Электрическое сопротивление пластинки или пленки полупроводника зависит от длины L, ширины b, высоты h и удельного сопротивления r:

(15)

Зная pазмеpы и сопротивление исследуемой пленки, можно вычислить удельное сопротивление

. (16)

Величина удельной проводимости зависит от концентрации и подвижности носителей заряда следующим образом:

для n-полупpоводника или

для p-полупpоводника (17)

Удельная проводимость есть величина, обратная удельному сопротивлению. Таким образом, зная величину удельного сопротивления, можно вычислить подвижность носителей заряда

или (18)

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА

Из формулы (4) следует, что холловское напряжение прямо пропорционально величине магнитной индукции. Это дает возможность использовать эффект Холла для измерения магнитных полей. Соответствующие приборы называют преобразователями Холла.

Преобразователь Холла – гальваномагнитный полупроводниковый прибор, основанный на эффекте Холла.

Основными достоинствами преобразователей Холла являются:

· отсутствие подвижных частей, и, следовательно, сравнительно высокая механическая прочность;

· малые габариты, что позволяет производить измерение поля в "точке";

· достаточно высокая чувствительность (100 - 500) мкВ/мТл,

· безынерционность.

Пpеобpазователи Холла применяют для измерения магнитных полей (основное назначение), а также в качестве механических детекторов близости, в качестве бесконтактных переключателей в клавиатурах некоторых компьютеров, для бесконтактного измерения сильных токов, в качестве множительных устройств и т.д. Область применения преобразователей Холла расширяется.

Пpеобpазователи Холла, предназначенные для измерения магнитных полей, принято характеризовать чувствительностью при номинальном (рабочем) токе:

при (19)

Из формулы (14) видно, что значение коэффициента Холла зависит от концентрации носителей заряда обратно пропорционально: чем меньше n, тем больше , а, значит, тем выше чувствительность преобразователя. Поэтому для изготовления преобразователей Холла используют не металлы, а полупроводники: Ge, InSb, InAs, твердые растворы и другие.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Для определения типа носителей заряда собрана отдельная установка, содержащая исследуемый пpеобpазователь Холла, подковообразный магнит, источник тока и гальванометр. Схема установки соответствует Для измерения зависимости напряжения Холла от тока и от магнитной индукции используется установка, схема которой показана на pис.2.

Для защиты от механических повреждений пpеобpазователь помещен в металлическую трубку. Пpеобpазователь находится в зазоре подковообразного постоянного магнита. Для изменения величины магнитной индукции в зазоре часть его пеpекpывается с помощью подвижного ярма, снабженного указателем. Соответственно положению ярма в табличке приведены значения индукции магнитного поля в месте расположения датчика. Напряжение Холла измеряется милливольтметром.