Transcript 實驗一霍爾效應 (Hall Effect)

實驗
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霍爾效應
(Hall Effect)
實驗目的
 決定磁鐵在特定距離下所建立之磁場。
 學習如何量測磁場大小。
 決定半導體材料是P型或為N型。
 決定半導體材料之主要載體濃度。
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何謂霍爾效應?
 Edwin H. Hall 於1879年發現在帶電流的薄金屬片
上加磁場時會出現一反向電壓。
 半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯。
 霍爾效應是電場和磁場在移動中的電荷上所施力的
結果 (勞倫茲力及靜電力) 。
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應用
 測定元件的主要載子濃度。
 利用霍爾元件測量出磁場，可確定導線電流的大小
。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。
 霍爾元件具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻
率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，
因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域
得到廣泛的應用。
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何謂半導體
 金屬的價帶與導帶之間沒有距離，電子可自由移動
。絕緣體的能隙寬度最大，電子難以躍遷。半導體
能隙介於兩者中間，電子較容易躍遷至導帶中。
電子
 半導體是指一種導電性可受參雜雜質濃度控制，範
圍可從絕緣體至導體之間的材料。
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P型半導體
 在純矽中加入三價元素雜質，使每個矽原子與三價
雜質結合成共價鍵時缺少一電子(多一個電洞)，即
為P型半導體。
 多數載子為電洞，少數載子為電子。
 三價雜質通常為硼(B)
、鋁(Al) 、鎵(Ga) 、
銦(In) 。
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N型半導體
 在純矽中加入五價元素雜質，使每個矽原子與五價
雜質結合成共價鍵時多一電子，即為N型半導體。
 多數載子為電子，少數載子為電洞。
 五價雜質通常為磷(P) 、
砷(As) 、銻(Sb)。
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理論
 當受測材料為P型半導體(主要載子電洞)
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 外加一磁場沿正y軸
 在A1，A2間加一電位差使電洞以漂流速度沿正x方向運



動並受正Z方向磁場作用力 F  qv  B
B
 因材料原呈電中性，故有相等之負電荷累積在材料下方
並產生負Z方向靜電力 Fe＝qE
 穩定態時，FB=FE
即 qvB＝qE
 此時上下兩側之電壓差即為霍爾電壓
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E=vB
計算
I
I
J  nev  
A ab
VH
vB  E 
b
IB
n
aeV H
n : 載子濃度 e : 電荷電量 v: 漂移速度
J : 電流密度 B : 外加磁場 VH : 霍爾電壓
a : 樣品厚度(y方向) b : 樣品高度(z方向)
A : 電流通過之樣品截面積
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實驗儀器-----高斯計(量測磁場使用)
歸零
選取單位
範圍設定
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使用按鈕上方英文字
所提示功能時，須先
按住SHIFT鍵才可使
用。
數值擷取
實驗儀器
磁
場
測
試
板
厚
壓
克
力
墊
片
待
測
半
導
體
材
料
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探針置入位置
探
針
磁
鐵
架
測
試
板
放
置
處
如何量測磁場
 先將高斯計執行
歸零程序。
依操作說明找出磁
鐵N 、S極。
將實驗器材架設
好，磁場測試板置
於指定位置(如上頁
右下角圖)。
量測示意圖
利用壓克力墊片改
變N極與半導體距
離。
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注意事項
 當受測材料為N型半導體(主要載子電子)時，電荷
累積情形與上述情況相反，但計算公式仍然可用。
 利用B-V關係圖去判斷材料的型態。
 高斯計與探針為昂貴器材，務必小心使用。
 探針使用時，須平貼待測物上(握把上的F.W BELL字
樣朝外) ；測得磁場數據正值為S極，反之為N極。
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