Экспериментальное исследование электропроводности

 

Эффект Холла

До сих пор явления, связанные с полупроводниками, описывались как движение электронов, отданных атомами-донорами, и дырок, тоже «отданных» атомами-акцепторами. Движение электронов по вакантным местам валентной зоны может быть описано как движение положительно заряженных частиц в противоположном направлении. Понимание механизма проводимости полупроводников может быть достигнуто в результате изучения эффекта Холла.

Эффект Холла с одной стороны, представляет собой доказательство того, что дырки можно рассматривать как частицы с положительным зарядом; с другой стороны, он помогает, на основе гипотезы о дырочной проводимости, решать вопрос, с каким видом проводимости (р- или n-проводимость) мы имеем дело.

Сам эффект Холла заключается в следующем: если ввести в магнитное поле (рис. 5-8) полупроводник, по которому течет ток, то между точками АВ возникает разность потенциалов.

 

 

Как известно, на частицу, движущуюся в магнитном поле Н со скоростью υ и обладающую зарядом q, действует сила

причем ее действие направлено перпендикулярно направлению движения и действия поля (μ здесь обозначает магнитную проницаемость). Скорость частицы в данном случае

Таким образом, для силы получаем выражение

Эта сила, позволяя току течь в направлении АВ, при этом приводит к скоплению на поверхности А такого заряда, что обусловленная им напряженность поля действует на заряженную частицу с силой, равной указанной выше-силе, но в противоположном направлении; при этом направление скорости остается неизменным. Так как сила, действую­щая на частицу в электрическом поле,

напряжение Холла можно определить из следующего уравнения:

т. е. это напряжение

где константу R называют коэффициентом Холла (q = -е при электронной проводимости и q = +е — при дырочной проводимости). Эти коэффициенты, т. е. число частиц, участвующих в переносе тока, можно определить путем измерения.

В этом явлении интересно то, что магнитное поле отклоняет частицы, обеспечивающие перенос тока в одну сторону независимо от знака заряда самих частиц. В случае различно заряженных частиц противоположны как заряды, так и направление движения, так что на­правление действия силы остается неизменным. С другой стороны, в зависимости от знака носителей заряда с одной и той же стороны скапливаются положительные либо отрицательные носители заряда, так что знак возникающей разности потенциалов зависит от знака носителя заряда. Исходя из этого, можно, следовательно, определить знак носителя заряда.

Если в переносе тока участвуют носители заряда двух типов, то указанное выше соотношение несколько усложняется:

С точки зрения практического использования полупроводника самыми важными параметрами являются ширина запрещенной зоны и подвижность носителя заряда. Широкая запрещенная энергетическая зона означает, что электроны в результате их теплового движения даже при относительно высоких температурах не могут попасть в зону проводимости, так что свойства, обусловленные характером примеси, на которых основана работа полупроводникового выпрямителя или транзистора, не изменяются при увеличении температуры в известных пределах и позволяют использовать данный полупроводник при относительно высоких рабочих температурах (рис. 5-6, б).

Подвижность имеет решающее значение с точки зрения частотных характеристик полупроводниковых приборов, так как время пробега носителя заряда обратно пропорционально подвижности. Между шириной запрещенной зоны и подвижностью, по-видимому, существует корреляция: с увеличением ширины зоны уменьшается подвижность, с нею и частота (табл. 5-2). Однако среди интерметаллических соединений есть такие, которые характеризуются высокой подвижностью при большой ширине запрещенной зоны.