西北大学 半导体物理课件12new

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1、第第第第十二十二十二十二章章章章半导体在磁场中的效应半导体在磁场中的效应半导体在磁场中的效应半导体在磁场中的效应第十二章第十二章Part1Part112.1霍尔效应12.2磁阻效应12.3热磁效应霍尔效应霍尔效应一、霍尔效应一样品受到x方向的电场E（在样品中存在电流xJx），z方向的磁场（Bz），于是在y方向上产生一个横向电场Ey，这一现象称为霍耳效应。zbBdzyEyExLxJxV二、只有一种载流子的霍尔效应设样品的温度是均匀的，不考虑载流子速度的统计分布。1、p型半导体——空穴rrr在Bz的作用下，空穴受洛仑兹力的作用f=qvB×

2、，向−y方向偏移，使样品的左面积r累了空穴，电位升高，故在样品的y方向形成霍耳电场Ey，沿y的正方向。zy+.-+Ey-空穴在y方向同时受到霍耳电场力和洛伦兹力的作用，+uuur-fluour+-+-其合力应为零，即F=0⇒Ey=vB；xz+-+-JJ1+-xE=xB=JB又因J=qpvxx⇒vx=；所以yzxz+-qpqpqp+-+-13+-可得到：R=>0单位为m/CHpqJx二、只有一种载流子的霍尔效应2、N型半导体Bz-.+E-y+同理，可分析出N型半导体的霍尔系数为：-+-+-+-+y1-+R=−<0H-+nq-+Jx三、有

3、两种载流子的霍耳效应当半导体中同时存在电子和空穴时，沿x方向的电流密度为：Jx=qn(µn+pµp)Ex平衡时横向电流为零，包括空穴横向电流(Jp)y和电子横向电流(Jn)y，即Jy=(Jp)y+(Jn)y=0但空穴电流和电子电流分别并不为零，即Ey.z+-2空穴：(Jp)=pqµpE-pqyµpEBxz+-y+-2+-y电子；(Jn)y=nqµnE+nqyµnEBxz+ff-+-22+所以可得到：1pµp−nµn-ExRH=⋅2+-q(pµp+nµn)+ff-µ1pnb−2Jx令b=n，得：R=⋅H2µpq(pnb+)三、有两种载流

4、子的霍耳效应分析霍耳系数随温度的变化电子迁移率一般都大于空穴迁移率，下面讨论时都设b>1。1、n型半导体1常温时，RH=−<0nq1随温度的升高RH不变号，RH=−<0但RH减小。nq211b−当温度升高到本征温度时，R=⋅<0，RH数值很小。H2qni(1b+)对于n型半导体，其霍耳系数始终小于零，但随温度升高，其数值减小。三、有两种载流子的霍耳效应2、p型半导体1常温时，R=>0Hpq当温度升高到某一温度，使2时Tp=nbR=0RH211b−当温度继续升高达到本征温度时，RH=⋅2<0qni(1b+)对于p型半导体材料来说，当温度

5、从杂质导电范围过渡到本征范围时，霍耳系数将改变符号。三、有两种载流子的霍耳效应若考虑了速度分布，需将迁移率µ改为霍耳迁移率µ（H(µH)、n(µH)）p对于霍耳角：tgθ=µHBzµr=H对于霍尔系数：代入µrn-type：RH=−σn=nqµ所以RHσn=rµn=(µH)nnqrp-type：RH=σp=pqµ所以Rσ=rµ=(µ)pqHppHp磁阻效应磁阻效应一、什么是磁阻效应当在与电流垂直的方向加一磁场后，半导体沿外加电场方向的电流密度有所降低，或电阻有所增大，这一现象称为磁阻效应。磁阻效应不但与所加的磁场有关（物理磁阻效应），

6、还与材料的几何形状有关（几何磁阻效应）。二、物理磁阻效应1、只考虑一种载流子的情况ρ−ρ∆ρ∆ρB0=ξµ2B2=通常用电阻率的相对改变来描述磁阻的大小，即ρρ可以证明：ρHz000式中ξ为横向磁阻系数。�产生磁阻的原因：fE(x)urE①以p型半导体为例，在E和B的作用uuurfE(y)uuurxzffrluoluo下，产生霍耳电场Ey。Ex和Ey的合电场为E。fE(y)rurfE(x)EJx在E和洛仑兹力的作用下，空穴散射几率增大、迁移率下降，电导率降低，电阻率增大。但由这个因素引起的电阻率的变化很小，可以忽略不计。xxP型半导体

7、：N型半导体：空穴运动轨迹电子运动轨迹二、物理磁阻效应②半导体中载流子的速度分布y-.B+zv=v以电子为例：-1x0+-+v1=vx0时，f=f，电子不偏转；fluofdiandianluo-+v2>vx0时，f>f，电子向左偏转；-v2>vx0v3

8、pJBzEy0F霍J空穴nF洛Jp电子无磁场作用时：F霍F洛J=J+JFEx半导体中的电流密度为0np；有磁场作用时：Ex若电子、空穴的偏转电流方向相反，则沿x方向合成电流密度的大小为JB=Jn+Jp，显然J+J