2022年实验报告-霍尔效应的应用.docx

精品学习资源一、试验目的：高校物理试验报告试验 3-13霍尔效应的应用欢迎下载精品学习资源1、明白霍尔效应原理以及有关霍尔器件对材料要求的学问；欢迎下载精品学习资源2、学习用对称测量法排除副效应的影响，测量试样的VH - IS 和 VH- I M 曲线；欢迎下载精品学习资源3、确定试样的导电类型、载流子浓度及迁移率；二、试验器材： TH-H 型霍尔效应试验组合仪由试验仪和测试仪两大部分组成欢迎下载精品学习资源1、试验仪：电磁铁、样品与样品架I和 I M换向开关及VH 、 V切换开关欢迎下载精品学习资源S2、测试仪：两组恒流源、直流数字电压表三、试验原理 ：霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转；由于带电粒子电子或空穴被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场；欢迎下载精品学习资源ab对于图中 a所示的 N 型半导体试样，假设在X 方向通以电流，在Z 方向加磁场，试样中载流子电子将受洛伦兹力Fg = ev B 就在 Y 方向即试样 A 、A 电极两侧就开头聚积异欢迎下载精品学习资源号电荷而产生相应的附加电场霍尔电场；电场的指向取决于试样的导电类型；对N 型试样，霍尔电场逆 Y 方向； P 型试样就沿 Y 方向；其一般关系可表示为欢迎下载精品学习资源I S X , BZEH YEH Y0, N型0, P型欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源明显，该霍尔电场阻挡载流子连续向侧面漂移；当载流子所受的横向电场力eEH与洛伦兹欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源力 ev B相等时，样品两侧电荷的累积就到达平稳，此时有欢迎下载精品学习资源eEHev B 1其中 eEH 为霍尔电场， v 是载流子在电流方向上的平均漂移速度；设试样的宽度为 b，厚度为 d，载流子浓度为 n，就欢迎下载精品学习资源I Snevbd2欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源由 1、 2得VHEH b1 I S BnedI S BRHd4欢迎下载精品学习资源产生霍尔效应的同时， 因相伴着多种副效应， 以致试验测得的A、A两极之间的电压并欢迎下载精品学习资源不等于真实的VH 值，而是包含着各种副效应引起的附加电压，因此必需设法排除；依据副欢迎下载精品学习资源效应产生的机理可知， 采纳电流和磁场换向的所谓对称测量法，基本上能够把副效应的影响欢迎下载精品学习资源从测量的结果中排除； 详细做法是I S 和 B 大小不变， 并在设定电流和磁场的正、反方向后，欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源依次测量由以下四组不同方向的I S 和 B 组合的两点之间的电压V1 , V2 ,V3 ,V4 即欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源I S ,I S ,I S ,I S ,B,V1 B,V2 B,V3 B,V4欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源然后求上述四组数据V1 , V2 ,V3 ,V4 的代数平均值，可得欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源VV1V2V3H4V45欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源通过对称测量法求得的VH ，虽然仍存在个别无法排除的副效应，但其引入的误差甚欢迎下载精品学习资源小，可以忽视不计；欢迎下载精品学习资源由 4式可知霍尔电压VH A、A两极之间的电压与I S B 乘积成正比，与试样厚欢迎下载精品学习资源度 d 成反比；比例系数 RH1称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，ne欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源只要测出VH V 及知道I S A 、 BT 和 dm, 可按下式运算霍尔系数欢迎下载精品学习资源VH dRH6I S B1依据 RH 的符号或霍尔电压的正、负判定样品的导电类型；判定方法是按图欢迎下载精品学习资源所示的I S 和 B 方向；假设测得VHVAA'0 ,即 A 点的电位低于A 点的电位就 RH为负，欢迎下载精品学习资源样品属于 N 型，反之为 P 型；欢迎下载精品学习资源2求载流子浓度；由 n1| RH | e可求出载流子浓度；应当指出，这个关系式是假定欢迎下载精品学习资源全部载流子都具有相同的漂移速度得到的，假如考虑载流子的速率统计分布，需引入修正因子 3/ 8 ；3结合电导率的测量，求载流子的迁移率；电导率可以通过上图所示的A 、C电极进行测量；设 A、C 间的距离为 L=3.0mm ，样品的横截面积为S= bd ，流经样品的电流为 I S ,在零磁场下，假设测得A 、C 间的电位差为 V ，可由下式求得，欢迎下载精品学习资源I SL7欢迎下载精品学习资源V S电导率与载流子浓度 n 以及迁移率之间有如下关系：ne8欢迎下载精品学习资源即| RH |,通过试验测出值即可得到；欢迎下载精品学习资源依据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是挑选霍尔系数大即迁移率高、电阻欢迎下载精品学习资源率也较高 的材料； 由于| RH |,就金属导体而言，和均很低， 而不良导体高，欢迎下载精品学习资源但微小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件； 半导体材料高， 适中，是制造霍尔器件的较抱负的材料；由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔器件都采纳N 型材料；又由于霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此，薄膜型的霍尔器件的输出电压较片状的要高得多；就霍尔器件而言， 其厚度是肯定的， 所以有用上才用1K H9ned欢迎下载精品学习资源来表示器件的灵敏度，K H 称为霍尔灵敏度；欢迎下载精品学习资源四、试验步骤 ：欢迎下载精品学习资源1按上图连接测试仪和试验仪之间相应的I S 、VH 和 I M各组连线，I S 及 I M换向开欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源关投向上方，说明I S 及 I M均为正值即I S 沿 X 方向， B 沿 Z 方向，反之为负值；VH 、欢迎下载精品学习资源V切换开关投向上方测VH ，投向下方测 V；欢迎下载精品学习资源接线时严禁将测试仪的励磁电源“IM 输出”误接到试验仪的“I S输入”或“VH 、 V欢迎下载精品学习资源输出”处，否就一旦通电，霍尔元件即遭损坏！欢迎下载精品学习资源2对测试仪进行调零；将测试仪的“I S 调剂”和“I M 调剂”旋钮均置零位，待开欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源机数分钟后假设VH 显示不为零， 可通过面板左下方小孔的 “调零” 电位器实现调零， 即“”；欢迎下载精品学习资源转动霍尔元件探杆支架的旋钮X 、 Y，渐渐将霍尔元件移到螺线管的中心位置；欢迎下载精品学习资源3测绘VH IS 曲线；将试验仪的“VH 、 V”切换开关投向VH 侧，测试仪的“功欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源能切换”置VH ；保持IM 值不变取 IM 0.6A，测绘VH IS 曲线；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源4测绘VH IM曲线；试验仪及测试仪各开关位置同上；保持Is 值不变， 取I S 欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源3.00mA ，测绘VH IS 曲线；欢迎下载精品学习资源5测量 V值；将“ VH 、 V”切换开关投向V侧，测试仪的“功能切换”置V；欢迎下载精品学习资源在零磁场下，取I S mA ，测量 V； 留意：I S 取值不要过大，以免V太大，毫伏表超欢迎下载精品学习资源量程此时首位数码显示为1，后三位数码熄灭；欢迎下载精品学习资源6确定样品的导电类型；将试验仪三组双刀开关均投向上方，即I S 沿 X 方向， B 沿欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源Z 方向，毫伏表测量电压为VAA ；取IS 2.00mA ， I M 0.6A ，测量VH 大小及极性，判定欢迎下载精品学习资源样品导电类型；欢迎下载精品学习资源7求样品R H 、n、 和 值；欢迎下载精品学习资源五、数据采集：欢迎下载精品学习资源1测绘VH - I S 曲线，将测量数据记录在下表，并用作图纸VH - IS 关系线；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源表 1 测绘V H - I S 曲线数据表欢迎下载精品学习资源I S / mVV 1/ mVV 2/ mV+ IS -BV 3 / mV- IS -BV 4/ mV- I S、+BVHV1V2V34V4mV+ I S +B其中电流范畴：IM =0.6A , I S mA .2测绘 VH - I M 曲线，将测量数据记录在下表，并用作图纸VH - I M 关系线；表 2测绘 VH - I M 曲线数据表I M/mVV 1/ mV+ IS +BV 2/ mV+ I S -BV3/ mV- I S -BV 4/ mV- I S 、+BVV1V 2V 34V4HmV欢迎下载精品学习资源其中电流范畴：IS mA ; I MmA .欢迎下载精品学习资源3测量 V值；欢迎下载精品学习资源4确定样品的导电类型；依据RH 的符号或霍尔电压的正、负判定样品的导电欢迎下载精品学习资源罗类型；欢迎下载精品学习资源5求样品R H 、n、 和 值；霍尔系数R H 的运算可用以下两种方法运算：欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源1可由公式 RHVH d运算，其中 B 为磁场强度，因磁场有励磁电流通过线圈产生，线圈I S B欢迎下载精品学习资源上标有电流和磁场的换算关系X常数 kGS/A ，其中 GS 为磁场单位高斯 非国际单位 ，欢迎下载精品学习资源1GS10-4 T 特斯拉，磁场国际单位，从线圈上抄下励磁常数X ，再乘以I M ，即可得欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源BX . IM.103 .10-40.1 X .I MT，就欢迎下载精品学习资源RVH dVHdHI S BI S0.1X . IM欢迎下载精品学习资源当 IM肯定时，VH - IS 呈线性关系，利用表1所测数据，用最小二乘法求出RH ；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源1R同理，利用表 2所测数据，用最小二乘法求出H ；对RH 、 RH求平均值的R H ；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源1222）对表 1中每一组IS 和 VH 值均可运算出一个R H ，对应 6 组数据分别求RH ；对表 2欢迎下载精品学习资源数据做同样处理，对所求得的12 个 RH 求平均值和标准偏差；n、 的值由以下公式运算：欢迎下载精品学习资源1由 n可求得载流子浓度n 值，电导率有I S L运算得出； 再有| RH |欢迎下载精品学习资源| RH | eV S可求出迁移率；欢迎下载精品学习资源有运算过程可见，R H 得运算错误会导致n、错误，故运算过程要细心， 特殊要留意R H 、欢迎下载精品学习资源n、 必需统一成国际单位来运算；运算公式、过程、单位均应在试验报告中给出；欢迎下载精品学习资源六、数据记录欢迎下载精品学习资源1测绘VH - I S 曲线，将测量数据记录在下表，并用作图纸VH - I S 关系线；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源表 1 测绘V H - I S 曲线数据表欢迎下载精品学习资源IV 1/ mVV 2/ mVV 3 / mVV 4/ mVS/ mVVHV1+ IS +B+ I -BS- I -BS- I 、+BSV2V34V4mV其中电流范畴：IM =0.6A , I S mA .2测绘 VH - I M 曲线，将测量数据记录在下表，并用作图纸VH - I M 关系线；表 2测绘 VH - I M 曲线数据表IM /AV 1/ mV+ IS +BV 2/ mV+ I S -BV3/ mV- I S -BV 4/ mV- I S 、+BV HV1V 2V 34V4 mV欢迎下载精品学习资源其中电流范畴：IS mA ; I MmA .欢迎下载精品学习资源（3） 测量 V值；当 B=0TI S=2.00mA 时，V（4） I S=2.00mA 、 IM =0.6A 时； V AA 欢迎下载精品学习资源七、数据处理欢迎下载精品学习资源1测绘VH - I S曲线；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源（2）测绘测绘VH - I M 曲线；欢迎下载精品学习资源（3）在 B=0T 时， I S=2.00mA 时，V=1.516V ；（4） 确定样品的导电类型；测量知道IS=2.00mA 、IM =0.6A 时；V AA =-54.8mV ；结合 +I S,+B的方向判定， V AA=-54.8mV 0，所以样品为N 型半导体；欢迎下载精品学习资源（5） 求样品R H 、n、 和 值；欢迎下载精品学习资源运算霍尔系数 RH；欢迎下载精品学习资源由 公 式 R HVH d× 10-4m ， 又B=XI M=280 × 10-3T/AI M又 , 所 以 有欢迎下载精品学习资源I S B欢迎下载精品学习资源RVH dHVH d，通过 公式 ，可 以分 别计 算 出 ：欢迎下载精品学习资源I S B0.2（8T / A） I M I S欢迎下载精品学习资源RH11RH12RH13RH14RH15RH16-4.113 × 10-2-4.112 × 10-2-4.113 ×10-2-4.110 × 10-2-4.115 ×10-2-4.117 × 10-2RH21RH22RH23RH24RH25RH26-4.119 × 10-2-4.113 × 10-2-4.110 ×10-2-4.116 × 10-2-4.113 ×10-2-4.113 × 10-2-1-1单位： Vm· A ·T -2-1-1可以求得 12 个霍尔系数的平均值为：欢迎下载精品学习资源RH 平均 × 10Vm· A· T 欢迎下载精品学习资源由标准偏差公示可算得：×10-2所以RH× 10-2Vm·A-1 ·T-1 运算 n 的值；欢迎下载精品学习资源1由 n| R H | e1| -4.109 ×10 -2 |1.617-1-1-110-19× 10 AT ·V ·m ·C 欢迎下载精品学习资源运算 的值；欢迎下载精品学习资源I SL2.0010-3 A30010-6-1-15.074 A· V · m 欢迎下载精品学习资源V S1.516V30010 626010 6欢迎下载精品学习资源运算 的值；欢迎下载精品学习资源| RH |-4.10910-2 |5.0740.20（8 T 1）欢迎下载精品学习资源八、误差分析1、产生霍尔效应的同时会有其他附加效应的产生，这些因素导致了产生试验误差；欢迎下载精品学习资源2、我们使用的是新仪器，操作和老仪器有所不同，在测绘VH - I S 曲线和VH - I M曲线斜率欢迎下载精品学习资源的时候变化会引起误差；欢迎下载精品学习资源九、摸索题1 、如何精确测量霍尔电压？本试验采纳什么方法排除各种附加电压？答：多次测量求平均值来到达精确测量霍尔电压的目的；本试验采纳对称测量法来排除各种附加电压的影响，进而精确测量霍尔电压；2 、磁场不恰好与霍尔片的法线一样，对测量结果有何影响？答：磁场与霍尔片的法线不一样，会造成有效磁场变小，就对应测得的霍尔电压变大；3 、能否用霍尔元件片测量交变磁场？假设能，怎样测量？答：可以， 由于霍尔效应建立的时间极短，使用沟通磁场时，所获得的霍尔电压也是交欢迎下载精品学习资源变的，此时I M 和VH应懂得为有效值，上下板交替累积载流子，无稳固的电势差；欢迎下载