2022年2022年霍尔效应及其应用 .pdf

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1、实验二霍尔效应及其应用第一部分：实验准备1. TH-H 型霍尔效应实验仪：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - TH-H 型霍尔效应实验组合仪可测定霍尔系数和载流子浓度，此外，结合电导率测量可确定试样的载流子迁移率。 TH-H 型霍尔效应实验组合仪设计合理，性能稳定，各项技术指标完全符合实验要求。此外，其测试单元还具有多用功能，如用于电阻温度实验，也可单独作为直流恒流源或直流数字毫伏表使用。2. 测试仪1.“IS输出

2、”为 010mA 样品工作电流源，“ IM输出”为 01A 励磁电流源。两组电流源彼此独立，两路输出电流大小通过IS调节旋钮及 IM调节旋钮进行调节，二者均连续可调。其值可通过“测量选择”按键由同一只数字电流表进行测量，按键测IM，放键测 IS。 2 直流数字电压表VH和 V通过功能切换开关由同一只数字电压表进行测量。电压表零位可通过调零电位器进行调整。当显示器的数字前出现“”号时，表示被测电压极性为负值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - -

3、- - - - - - - 第二部分：实验内容一 实验目的：1了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。 2 学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量并绘制试样的VHIS和VHIM曲线。 3 确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。二 实验仪器： 1THH 型霍尔效应实验仪，主要由规格为2500GS/A电磁铁、 N 型半导体硅单晶切薄片式样、样品架、IS和 IM换向开关、 VH和 V（即 VAC）测量选择开关组成。2THH 型霍尔效应测试仪，主要由样品工作电流源、励磁电流源和直流数字毫伏表组成。三 实验内容：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -

4、- - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 仔细阅读本实验仪使用说明书后，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 换向开关投向上方，表明Is 及 IM均为正值（即 Is 沿 X方向， B 沿 Z 方向），反之为负值。 VH、V切换开关投向上方测VH，投向下方测 V。经教师检查后方可开启测试仪的电源必须强调指出：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”处，否则一旦通电，霍尔元件即遭损坏！为了准确测量，应先对测试仪进行调

5、零，即将测试仪的“Is 调节”和“ IM调节”旋钮均置零位，待开机数分钟后若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“0.00”。转动霍尔元件探杆支架的旋钮X、Y，慢慢将霍尔元件移到螺线管的中心位置。1测绘 VHIs 曲线将实验仪的“ VH、V”切换开关投向VH侧，测试仪的“功能切换”置VH。保持 IM值不变（取 IM0.6A），测绘 VHIs 曲线，记入表 1 中，并求斜率，代入（ 6）式求霍尔系数 RH，代入（ 7）式求霍尔元件灵敏度KH。（6） VH=KHIsB （7）2SH0BIdV1RH名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -

6、- - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - IM=0.6A Is(mA) V1(mV) +Is,+B V2(mV) +Is,-B V3(mV) -Is,-B V4（mV）-Is,+B 1.00 -3.23 3.31 -3.30 3.24 3.27 1.50 -4.87 4.95 -4.95 4.86 4.91 2.00 -6.47 6.61 -6.61 6.47 6.54 2.50 -8.09 8.26 -8.25 8.09 8.17 3.00 -9.70 9.89 -9.91 9.72 9.8

7、1 4.00 -12.94 13.18 -13.19 12.96 13.06 2测绘 VHIs 曲线实验仪及测试仪各开关位置同上保持Is 值不变，（取 Is3.00mA ），测 VHIs 曲线，记入表 2 中。表 2 Is 3.00mA IM取值： 0.300-0.800A 。IM V1(mV) V2 V3 V4 (mV)4VVVVV4321H(mV)4VVVVV4321H名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - +Is

8、,+B +Is,-B -Is,-B -Is,+B 0.300 -4.88 5.03 -5.04 4.87 4.96 0.400 -6.50 6.69 -6.65 6.51 6.59 0.500 -8.11 8.32 -8.28 8.13 8.21 0.600 -9.72 9.95 -9.91 9.76 9.84 0.700 -11.36 11.59 -11.55 11.38 11.47 0.800 -13.07 13.19 -13.22 12.97 13.11 0246810121400.20.40.60.81Vh 值Vh 值3测量 V值将“VH、V”切换开关投向 V侧，测试仪的“功能切换”置

9、V。在零磁场下，取 Is2.00mA ，测量 V。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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）。V =18.7mV Is=2.00mA 4确定样品的导电类型将实验仪三组双刀开关均投向上方，即Is 沿 X 方向， B 沿 Z 方向，毫伏表测量电压为 VAA。取 Is2mA ，IM0.6A，测量 VH大小及极性，判断样品导电类型。VH=

10、-06.6 mV 负 N型5求样品的 RH、n、 和 值。RH=(VH*d)/ (IS*B)=3.5*106 cm3/c n=1/( RH*e)=1.79*1012 个/cm3 =(IS*1)/ (V*S)=5.35 mA/mV*cm2 = RH* =1.87*107 mA/mV*C名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 六、预习思考题1列出计算霍尔系数RH、载流子浓度 n、电导率 及迁移率 的计算公式，并注明单位。R

11、H=(VH*d)/ (IS*B) cm3/c n=1/( RH*e) 个/cm3 =(IS*1)/ (V*S) mA/mV*cm2 = RH* mA/mV*C 2如已知霍尔样品的工作电流Is 及磁感应强度 B 的方向，如何判断样品的导电类型。由 RH的符号（或霍尔电压的正、负）判断试样的导电类型判断的方法是按图（ 1）所示的 Is 和 B 的方向，若测得的VHVAA 0，（即点 A 的电位低于点 A的电位）则RH 为负，样品属 N 型，反之则为 P型。3在什么样的条件下会产生霍尔电压，它的方向与哪些因素有关？在有相互垂直的电场磁场的环境中，在导体中通过电荷时，由于电子和空穴受到洛伦滋力，会发生

12、相反方向的偏转，可根据右手定则判断产生的电压方向A名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 4实验中在产生霍尔效应的同时，还会产生那些副效应，它们与磁感应强度 B 和电流 Is 有什么关系，如何消除副效应的影响？1）不等势电压降Vo 如图（ 3）所示，由于元件的测量霍尔电压的A、A两电极不可能绝对对称地焊在霍尔片的两侧，位置不在一个理想的等势面上，因此，即使不加磁场，只要有电图 （3）流 Is 通过，就有电压VoIs r

13、 产生，其中 r 为 A、A所在的两个等势面之间的电阻，结果在测量VH时，就叠加了 Vo ，使得 VH值偏大，（当 Vo 与 VH同号）或偏小（当 Vo 与 VH异号）。由于目前生产工艺水平较高，不等势电压很小，像本实验用的霍尔元件试样N 型半导体硅单晶切薄片只有几百微伏左右，故一般可以忽略不计，也可以用一支电位器加以平衡。在本实验中，VH的符号取决于 Is 和 B 两者的方向，而 Vo 只与 Is 的方向有关，而与磁感应强度B 的方向无关，因此 Vo 可以通过改变 Is 的方向予以消除。（2）热电效应引起的附加电压VE如图（ 4）所示，由于实际上载流子迁移速率服从统计分布规律，构成电流的载流

14、子速度不同，若速度为v 的载流子所受的洛仑兹力与霍尔电场的作用力刚好抵消，则速度小于v 的载流子受到的洛仑磁力小于霍尔电场的作用力，将向霍尔电场作用力方向偏转，速度大于v 的载流子受到的洛仑磁力大于霍尔电场的作用力，将向洛仑磁力力方向偏转。这样使得一侧高速载流子较多，相当于温度较高，另一侧低速载流子较多，相当于温度较低，从而在Y 方向引起温差 TATA，由此产生的热电效应，在A、A电极上引入附加温差 VE，这种现象称为爱延好森效应。这种效应的建立需要一定的时间，如果采用直流电则由于爱延好森效应的存在而给霍尔电压的测量带来误差，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延好森效应来不及建立，可以减小

15、测量误差，因此在实际应用霍尔元件片时，一般都采用交流电。由于VEIsB，其符号与 Is 和 B 的方向的关系跟 VH是相同的，因此不能用改变Is 和 B 方向的方法予以消除，但其引入的误差很小，可以忽略。V名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 图 （4）(3) 热磁效应直接引起的附加电压VN如图（ 5）所示，因器件两端电流引线的接触电阻不等，通电后在接点两处将产生不同的焦尔热，导致在X 方向有温度梯度，引起载流子沿梯

16、度方向扩散而产生热扩散电流，热流Q 在 z 方向磁场作用下，类似于霍尔效应在Y 方向上产生一附加电场 N，相应的电压 VN Q B ，而 VN的符号只与 B 的方向有关，与 Is 的方向无关，因此可通过改变B 的方向予以消除。图 （5）（4）热磁效应产生的温差引起的附加电压VRL 如图（ 6）所示，（ 3）中所述的 X 方向热扩散电流，因载流子的速度统计分布，在 Z 的方向的磁场 B 作用下，和（ 2）中所述的同一道理将在Y 方向产生温度梯度 TATA，由此引入的附加电压VRL Q B ，VRL的符号只与 B 的方向有关，亦能消除。图 （6）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -