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Versuch V-So 1 – Magnetotransport in Halbleiter-Heterostrukturen

Elektronische Bauelemente sind aufgrund ihrer Anwendung in Computern und Smartphones nichtmehr aus unserem heutigen Leben wegzudenken. Dementsprechend wurden die Erfindung des Transistors durch Shockley, Bardeen und Brattain, die Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts durch von Klitzing sowie die Erfindung der Halbleiterheterostrukturen durch Krömer und Alfjorow jeweils mit einem Nobelpreis (1956, 1985, 2000) ausgezeichnet. Während es zu Beginn primär um die Demonstration der entsprechenden Effekte oder Bauelemente ging, spielte die Materialentwicklung eine wichtige Rolle auf dem Weg zur Massentauglichkeit.
Für die Charakterisierung der entsprechenden Halbleitermaterialien ist es zwingend erforderlich Zugriff auf Größen, wie zum Beispiel deren Ladungsträgerdichte und deren Ladungsträgermobilität zu erhalten. Im vorliegenden Versuch werden kombinierte Hall- und Leitfähigkeitsmessungen mit Hilfe der van-der-Pauw-Methode (http://electron.mit.edu/~gsteele/vanderpauw/vanderpauw.pdf) durchgeführt. Dabei handelt es sich um eine Methode, welche die Messung der oben genannten Messgrößen durch simple Spannungsmessungen ermöglicht. Da diese Messungen temperaturabhängig durchgeführt werden, ermöglichen diese Messungen auch die Bestimmung der Dotierstoffkonzentration des jeweiligen Materials sowie die Charakterisierung mikroskopischer Streuprozesse. Dabei wird insbesondere auch der Transport in zwei und in drei Dimensionen verglichen und die erhöhte Ladungsträgermobilität im Fall von zweidimensionalen Systemen wird experimentell nachgewiesen.

Experimentell werden Sie in diesem Versuch die folgenden wesentlichen Schritte durchführen:

• Manuelle Durchführung kombinierter Hall- und Leitfähigkeitsmessungen mit Hilfe der van-der-Pauw-Methode bei Raumtemperatur, sowie die Analyse unter Berücksichtigung von Messartefakten (Thermospannung, Magnetospannung, Kontaktwiderstände, etc.)
• Computergesteuerte Charakterisierung der vorliegenden Proben zwischen 6 K und 300 K
• Umgang mit flüssigem Helium in einem Kontaktgaskryostat