GB 11297.7 1989 锑化铟单晶电阻率及霍茸系数的 测试方法1 L

 

中华人民共和国营家标准

锑化铟单晶电阻率及霍茸系数的   UDC 661.868.247

测试方法                    :621.317.33

               GB 11297.7-89

Test method for resistivity ad Hall coefficient

in InSb Jingle crystals

 

本方法适应于长方形体和薄片锑化铟单晶样片的电阻率和霍耳系数的测量。

本方法所采用的样品是从锑化铟单品中切割制备的，在特定位置上市价电极接触，用直流方法测量样品的电阻率和霍耳系数，而后计算该样品的载流子浓度和载流子迁移率。

 

1 测量原理

 

1.1锑化铟单晶电阻率的测量

  锑化铟单晶的电阻率可直接测量，是在零磁场条件下测定的。

  电阻率的定义是材料中平行于电流的电位梯度与电流密度的比值。

  图1为测量电阻率的原理电路。

图l测量电阻率的原理电路

    在长方体标准样品两端的电流电极l、2问加恒定的样品电流I，则样品侧面上的电极接触点3、4间产生电导电压U，若它们之间的联线平行于电流方向，那么电极接触所在处的电阻率为：

   ······································（1）

式中：——样品电阻率，

      ——电导电压，V；

   I——样品电流强度。A；

    b——样品宽度，m。

    h——样品厚度，m。

    l——样品电极接触3、4间的距离。

1.2锑化铟单晶霍耳系数的测试

    锑化铟单晶材料的霍耳系数也是直接可测量的。当相互垂直的电场和磁场同时施予长方体标准样品上时（图2），载流子向与电场和磁场均垂直的方向偏转，于是在样品两侧产生横向电位差，即霍耳电压，这种现象叫霍耳效应，霍耳系数的定义是横向霍耳电场的强度与样品电流的密度和磁通密度之积的比值。

   ······························（2

式中：——样品的霍耳系数,；

    ——霍耳电场的强度,V/m；

    ——样品电流的密度，；

   ——磁通密度，T。

  对n型样品，霍耳系数为负值；对型样品，霍耳系数为正值。

图2霍耳系数测量原理图

    已知样品电流强度I（x方向）和磁通密度B(z方向)，若测出霍耳电位差UH(y方向)，则可求出样

品的霍耳系数RH ：

   ·················（3）

式中，RH——样品的霍耳系数,m3/C；

      UH——霍耳电压，V；

       B——磁通密度．T；

       I——样品电流强度，A；

       B——样品的霍尔电极间距，即样品的宽度，m；

       H——样品的厚度，m。

 1.3霍耳迁移率

  霍耳系数的绝对值与电阻率的比值定义为麓耳迁移率：

   ·········································（4）

式中:μH——霍耳迁移率，m2／(V．S)；

      RH——样品的霍耳系数．M3/C;

       ——样品的电阻率, 。

1.4载流子浓度和载流子迁移率

    锑化铟单晶在77 K是具有单一载流子的非本征半导体，霍耳因子为1．从测得的霍耳系数可计算样品的载流子浓度：

····························（5）

式中：n—样品的载流子浓度,；

      RH—样品的翟耳系数，m3/C；

      q—载流子电量，C。

    载流子迁移率与霍耳迁移率相同：

   ··································（6）

式中：μn—样品的载流子迁移率，m2／(V．S)；

      μH—样品的霍耳迁移率．m2／(V．S)。

     对n型锑化铟，载流子为电子，对p型锑化铟载流子为空穴。

 

2测量方法

 

2.1测量原理电路

2.1.1长方体标准样品的测试电路

图3长方体标准样品的测试电路

    S1-电极接触选择开关；S2-电流换向开关；S3-电压换向开关；Ro一标准电阻；

    G一恒流源；V一电位差计检流计系统或者数字电压表

2.1.2薄片样品的测试电路

图4薄片样品的测试电路

S1—电板接奠选择开关；S2—电流换向开关；S3一电压换向开关；S4一电压选择开关；

R0一标准电阻；G一恒流源；V一电位差计检流计系统或者数字电压表

2.2测量仪器

2.2.1磁铁

    一个经过标定的磁铁．磁通方向可反转，保证被测样品所在区域的磁通密度的均匀性优于士1%，磁场的稳定性为±1%。

2.2.2测量磁通密度的仪器

要求测量磁通密度的仪器分辨率不低予0.000 1 T，测量误差小于士1%。

2.2.3样品电流源

要求在测量过程中，为样品提供稳定度优予士0.5%的稳定电流．

2.2.4标准电阻

    具有和待测样品电阻同一数量级的标准电阻，其精度为士O.1%。

2.2.5电压测量仪器

    推荐使用高精度和高输入阻抗的数字电压表，灵敏度lμV，精度优于士0.5%。

2.2.6杜瓦瓶和样品架

    要求杜瓦瓶和样品槊均由非铁磁性物质构成，不能因为它们的存在使样品所在位置的磁通密度的变化超过士1%。

2.2.7霍耳效应测试仪

    要求能实现有关仪表、样品和电极接触的转换，控制样品电流、磁通密度的大小以及方向，按一定程序测量各有关电压。

2.2.8样品几何尺寸测量设备

    样品的几何尺寸可用千分尺、外径千分尺和测距显徽镜等测量，精度不低予士1%。

2.3测量条件

2.3.1测量环境

    测量环境没有强电磁场干扰，保证测量系统能正常运行。

2.3.2测试样品

2.3.2.1样品的几何形状

    测试样品为六接触长方体标准样品（图5）或正方形薄片样品（图6）。样品自锑化铟单晶锭切下，经仔细研磨、去油井用去离子水冲洗．样品形状规则、表面平整、无划痕、无孔洞。

图5六接触长方体标准样品

1.0m≤L≤1.5 cm       L≥5b

a1,a2≥2b             a1≈a2

a1=a1’ 士0.005cm     a2=a2’ 士0.005cm

l34=l56士0.005 cm     h≤0.1cm

1和2为电流电极接触，3、4、5和6为霍耳电极接触。

要求样品相互垂直面的角度误差小于士0.5°，平行边的长度与它们平均值之差小于士1%。

图6正方形薄片样品

L≥1.5cm；t≤0.1 cm

    L为样品的周长，t为样品的厚度，要塞样晶厚度的变化不超过其平均厚度的士1%。

2.3.2.2样品的电极接触

  所有的电极接触都应该是欧姆接触，一般用铟做电援接触．

  六接触长方体标准样品的两个端面为样品电流电极接触，应用金属铟涂满整个端面，而后焊上电极引线，其余的电极接触应为宽度不大于0.02 cm的条状铟电极，或者是直径小于0.02 cm的小铟球电极．

  对正方形薄片样品，电极接触应对称地分布在梭上，如果必须将电板接触做到相距厚度为t的两个平面之中的一个平面上，要使电极接触尽量小且靠近样品边鬓，通常，分布在四个角上．

 

2.3.3样品电流

    样品电流的大小，要保证在测量过程中避免少数载流子的注入，在样品中产生的电场要小于l V／cm，保证欧姆定律成立．

2.3.4磁场

磁通密度的大小，应满足弱场条件：

式中：μ——载流子迁移率，；

  B——磁通密度．T。

2.3.5注意事项

2.3.5.1为了避免光电导和光生伏特效应对电阻率测量的影响，对被测样品要加以光屏蔽。

2.3.5.2为了消除艾廷豪森效应以外的副效应的影响，可采用样品电流和磁场换向测量，对所测霍耳电压适当平均．而艾廷豪森效应引入的误差较小，特别是试样与它的周围有良好的热接触时，可忽略不计。

2.3.5.3．测量时有时产生虚假的电动势，例如热电动势，要仔细检查排除。

2.4测试步骤

2.4.1样品安装

    将待测样品焊到样品架上，而后将样品架置于放有液氮的杜瓦瓶内，接入测试电路．

    选择合适的标准电阻，接通电路，调整好样品电流．

2.4.2电阻率的测量

2.4.2.1在零磁场和恒温条件下测量．

2.4.2.2六接触长方体标准样晶

    在正向样品电流情况下，测量电极接触3、4间和5、6问的电压并测量标准电阻上的电压

    将样品电流反向，测量相应的电压

2.4.2.3正方形薄片样品

当电极接触1和2间、2和3间、3和4间及4和1间分别通以正向样品电流时，分别测量电极接触4和3、l和4、2和l、3和2以及标准电阻上的电压

 将样品电流反向，测出相应电压

2.4.3霍耳系数的测量

2.4.3.1将处于液氮温度的样品置于稳定而均匀的磁场中，使样品表面与磁场方向垂直。

2.4.3.2六接触长方体标准样品

    改变样品电流和磁场的方向，分别测量霍耳电极接触3、5间和标准电阻上的电压．

   

    同样，测量霍耳电极接触4、6间和标准电阻上的电压：

 

2.4.3.3正方形薄片样品

    电极接触1、3间加样品电流，测量电极接触4、2问及标准电阻上的电压。

  

    电极接触2、4间加样品电流．测量电极接触l、3间和标准电阻上的电压．

  

 

3结果计算

 

3.1六接触长方体标准样品

3.1.1  电阻率的计算

从2．4.2.2条得到的数据计算样品的电阻率。

·····························（7）

式中：    ——电导电极接触3、4之间的电阻率，

          ——电导电极接触5、6之间的电阻率，

           R0——标准电阻．

b——样品的宽度．Cm；

       h——样品的厚度，cm；

           l34——电极接触3和4的间距，cm；

           156——电极接触5和6的间距，cm；

——电极接触3、4间的电导电压，μV；

——电极接触5、6间的电导电压，μV；

——标准电阻上的电压，μV。

    如果电阻率和之差与其平均值之比小于士10%，则认为该样品均匀，可求出它的平均电阻率，

   ······················(8)

式中, ——样品的平均电阻率，；

、——按式(7)计算的两个电阻率．。 1044