大学物理实验报告-霍尔效应(nh5.2.2).doc

大学物理实验报告实验名称：霍尔效应学院： 专业： 班级：学号：姓名： 电话：实验日期： 年 月 日第 周 星期 第 节实验室房间号：实验组号： 成绩指导教师批阅日期 年 月 日1. 实验目的：了解霍尔效应实验原理以及测量磁场的原理和方法学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的VH-IS和VH-IM曲线确定试样的导电类型、载流子浓度及迁移率2. 实验器材：名称编号型号精度TH-H型霍尔效应实验组合仪1螺线管磁场测量装置23. 实验原理（请用自己的语言简明扼要地叙述，注意原理图需要画出，测试公式需要写明） 从本质上讲，霍尔效应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。当带电粒子(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的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场对于如图所示的N型半导体试样，若在x方向通以电流IS，在z方向加磁场B，试样中载流子(电子)将受洛伦兹力 FB=ev B则在y方向(即试样A和A'电极两侧)就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场霍尔电场。显然，该电场阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力eEH与洛伦兹力evB相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有 eEH=evB式中EH为霍尔电场；v为载流子在电流方向上的平均漂移速度。 电场的指向取决于试样的导电类型，对N型试样，霍尔电场沿y轴负方向，P型试样则沿y轴正方向。对于ls(x)、B(z)情况，有EH(y)<0(N型)；EH(y)>0(P型)。 设试样宽度为b，厚度为d，载流子浓度为n，有Is=nevbd VH=EHb=IsB/(ned)=RHIsB/d即霍尔电压VH（A和A'电极之间的电压）与IsB成正比，与试样厚度成反比。比例系数RH=1/(ne)称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参量，只要测出VH、Is、B和d，就可以计算出RH： RH=VHd/(IsB)根据该式，可以进一步确定以下事项由Rn的符号（或霍尔电压的正、负）判断样品的导电类型 判断的方法是按照如图5.2.6所示的Is和B的方向，若测得的VH=VAA'<O（即点A的电势低于点A的电势），则RH为负，样品为N型；反之，则为P型。由RH求载流子浓度n n=1/(|RH|e)，应该指出，这个关系式是假定所有的载流子都具有相同的漂移速度得到的，严格一点则需要考虑载流子的速度统计分布，需引入3/8的修正因子。结合电导率的测量，求载流子的迁移率 电导率与载流子浓度n以及迁移率之间的关系为 =ne即=|RH|，通过实验测出，即可求出。 根据上述讨论可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率亦较高）的材料。因|RH|=，就金属导体而言，和均很低，而不良导体虽然高，但极低，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不适合用来制造霍尔器件。半导体高，适中，是较理想的制造霍尔器件的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔器件都采用N型材料；另外，霍尔电压的大小与材料厚度成反比，因此薄膜型的霍尔器件的输出电压较片状要高得多。就霍尔器件而言，其厚度是一定的，所以实际上采用 KH=1/(ned)表示器件的灵敏度，KH称为霍尔灵敏度，单位为mV/（mA·T）4. 实验内容与步骤(1)霍尔电压VH的测量 应该说明，在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，如埃廷斯豪森效应、里吉勒迪克效应和能斯特效应，这些热磁效应会在霍尔电压VH上再叠加温差电动势VE，VRL和Vn，其中VE与I，B的方向有关，而VRL，Vn只与B的方向有关。 此外，使用霍尔元件时，还存在不等势引起的误差。不等势的产生是由于霍尔电极焊在霍尔片两侧时，没有完全对称而引起的。当电流流过霍尔片时，在与电流垂直的方向上，形成一系列的等势面，如果两侧的电极焊点不在同一个等势面上，就会由于电极位置不对称而产生不等势V0，它的符号与控制电流I的方向有关，而与磁场的方向无关。所以，在确定的磁场B、工作电流I的条件下，实际测出的横向电势差应该是VH，V0，VE，VRL和Vn的代数和。精确测量时，应考虑这些附加效应，并采用电流和磁场换向的对称测量法，消除各附加效应引起的系统误差。具体做法是，保持Is和B（即Im）大小不变，并在设定电流和磁场的正、反方向后，依次测量由下列四组不同方向的Is和B组合时，A，A'两点之间的电压V1，V2，V3和V4，即V1：+Is，+BV2：+Is，-BV3：-Is，-BV4：-Is，+B然后求上述数据V1，V2，V3和V4的代数平均值，可得VH=(V1-V2+V3-V4)/4 通过对称测量法求得的VH存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以忽略不计。(2)电导率的测量可以通过如图5.2.6所示的A，C（或A'，C'）电极进行测量，设A，C间的距离为l，样品的横截面积为S=bd，流经样品的电流为Is，在零磁场下，若测得A，C（或A'，C'）间的电势差为V（VAC），可求得 =Isl/(VS)(3)操作步骤 仔细阅读仪器使用说明书后，按照图连接测试仪和实验仪之间相应的Is，VH和Im各组连线，Is及Im换向开关扳向上方，表明Is及lm均为正值（即Is沿x方向，B沿z方向）；反之，为负值。“VH，V”切换开关扳向上方测VH，扳向下方测V（样品各电极及线包引线与对应的双刀开关之间连线已由制造厂家连接好）。 注意：严禁将测试仪的励磁电源“Im输出”误接到实验仪的“Is输入”或“VH，V输出”，否则，一旦通电，霍尔器件即遭损坏！ 为了准确测量，应先对测试仪进行调零，即将测试仪的“Is调节”和“Im调节”旋钮均置零位，待开机数分钟后，VH若显示不为零，可通过面板左下方小孔的“调零”电位器实现调零，即“0.00”。测绘VH-Is曲线 将实验仪的“VH，V”切换开关扳向VH侧，测试仪的“功能切换”置H，保持Im值不变（取Im=0.6A），测绘VH-Im曲线，记入自拟表中。Is取值为1.004.00mA。测绘VH-Im曲线 实验仪及测试仪各开关位置同上。保持值Is不变（取ls=3.00mA），测绘VH-Im曲线，记入自拟表中。lm取值为0.3000.800A。测量V值 将“VH，V”切换开关扳向V侧，“功能切换”置S。 在零磁场下（lm=0），取Is=0.20mA，测量V。 注意：Is取值不要过大，以免V太大，毫伏表超量程（此时首位数码显示为1，后三位数码熄灭）。确定样品的导电类型 将实验仪三组双刀开关均扳向上方，即Is沿x方向，B沿z方向，毫伏表测量电压为VAA'。取Is=2mA，Im=0.6A，测量VH的大小与极性，判断样品导电类型。(4)设计实验霍尔效应法测定螺线管轴向磁感应强度分布 取ls=8.00mA，lm=0.800A。按照图连线，自己设计实验步骤及实验数据表格，实验结果中要绘出螺线管轴向磁感应强度分布曲线。5. 实验记录（注意：单位、有效数字、列表）请粘贴“原始数据模板”照片（有教师盖章）6. 数据处理及误差分7. 思考题及实验小结思考题： 该实验在产生霍尔效应的同时，伴随多种副效应，如，爱廷豪森效应，能斯特效应和里纪勒杜克效应，以及不等位电动势引起的误差，采用电流和磁场换向的对称测量法，可消除各附加效应引起的系统误差。实验小结： 通过这次实验，我掌握了霍尔效应实验原理以及测量磁场的原理和方法，了解了用“对称测量法”消除副效应的影响。 以下内容为报告保留内容，请勿填写或删除，否则影响实验成绩上课时间：上课地点：任课教师：报告得分：教师留言：操作得分：教师留言：预习得分：预习情况：