일반물리학실험 | Hall Effect

 

 

 

TIP

 

 

홀 효과를 이해하고, Ge로 도핑된 반도체에서 홀 효과에 의한 전기전도도를 조사해 본다.

 

 

 

반도체 도핑

반도체에 불순물을 첨가하는 것이며 이는 반도체의 특성 변화를 일으키므로, 불순물을에 따라 필요한 특성을 얻어낼수 있다. 이를테면 어떠한 불순물은 반도체로 하여금 전도율을 유의미한 값으로 증가시키기도 한다.

 

1. 비고유 반도체, 고유 반도체

고유 반도체는 도핑된 불순물이 반도체의 전기적 성질에 영향을 미치지 않을만큼 적게 들어 있는 순수한 반도체이다. 이러한 경우 운반자는 열이나 빛에 의해 들떠서 생긴 전자와 양공 뿐이다. 고유 반도체에 열이나 빛이 가해지면, 전자로 가득 차 있던 원자가띠에서 전자가 튀어나와서 전도띠로 이동하는 것이기 때문에, 양공과 전자의 수가 같다.

 

운반자의 농도는 온도에 변화한다. 낮은 온도에서는 원자가띠가 가득 차서, 반도체는 부도체가 돼 버린다. 온도를 높이면 운반자의 숫자가 증가해서, 도체가 된다. 비고유 반도체는 운반자의 종류와 개수를 바꾸기 위해 불순물을 첨가한 반도체를 가리키며, 불순물에 따라 N형과 P형으로 나뉜다.

 

2. P형 도핑

P형 도핑은 양공이 더 많다. 최외각 전자가 4개인 Si에 3가 원자를 넣으면 Si의 공유결합 4개 중에 전자가 하나 부족하게 된다. 이 결합을 완성하기 위해 주변 원자의 공유결합으로부터 전자를 하나 얻어올 수 있다. 이러한 도펀트(도핑하는 물질)를 acceptor라고 한다. 이 도펀트 원자가 전자를 하나 받으면, 주변의 원자가 가진 공유결합에서는 전자가 하나 부족해져서 양공이 생기게 된다.

 

각 양공은 주변의 음전하 도펀트 이온과 연결되어서, 반도체 전체로 봤을때에는 중성을 유지한다. 하지만 양공이 격자구조를 돌아다니게 되면 양공 위치의 양성자가 노출돼서 더이상 전자로 상쇄되지 않는다. 그래서 양공이 양전하같은 성질을 띈다. 만약 acceptor 원자가 많이 추가되면, 양공이 열로 인해 들뜬 전자보다 훨씬 많아지게 된다. 그래서 P형 물질에서는 양공이 다수 운반자이고, 전자는 소수 운반자이다.

 

3. N형 도핑

N형 도핑은 전자가 더 많다, 즉 물질에 운반자 역할을 할 전자를 많이 만드는 것이다. 주로 Si를 많이 사용하는대 이는 최외각전자 4개를 가지고 있고, 각 전자는 주변의 Si원자 4개와 공유결합을 이루고 있다. 만약 이 Si 원자의 결정구조에 원자가 전자가 5개인 원자 5족 원자들이 들어가면 Si와 공유결합 4개를 갖고, 전자 하나가 남게 되며 이는 비교적 자유롭게 되어 전도띠로 올라갈 수 있다. 상온에서, 이런 전자는 사실상 전부 들떠서 전도띠로 올라가게 된다. 이런 전자가 들뜨는 것은 양공을 만들어내지 않기 때문에, N형 도핑을 한 물질에서는 전자가 양공보다 훨씬 많다. 이 경우 전자는 다수 운반자(Majority carrier)이고, 양공은 소수 운반자가 된다.

728x90

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

약술하여 고정된 온도에서 자기장사이에 N-type 반도체를 두고 Teslameter와 Powersupply를 조작하여 PC 상 프로그램을 이용, 홀 전압 값을 측정 한다.

 

 

 

[일반물리학실험]Hall Effect 레포트