大学物理实验-霍尔效应.ppt

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1、霍尔效应实验霍尔效应实验黑龙江大学普通物理实验室黑龙江大学普通物理实验室霍尔霍尔（）霍尔效应是美国物理学家霍尔效应是美国物理学家霍尔（，霍尔（，18551938）于）于1879年在美国霍普金斯大学读研究年在美国霍普金斯大学读研究生期间生期间,研究关于载流导体在研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一磁场中的受力性质时发现的一种现象。种现象。（18551938）霍尔效应霍尔效应（Hall effect）如如果果在在一一块块矩矩形形半半导导体体薄薄片片上上沿沿x轴轴方方向向通通以以电电流流，在在z轴轴方方向向上上加加磁磁场场 ，则则在在垂垂直直于于电电流流和和磁磁场场的的方方向向（即即y 轴轴

2、方方向向）上上产产生生电电势势差差，这这一一现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应,所所产产生生的的电电压压称称为为霍尔电压霍尔电压。xyzISVH霍尔效应（霍尔效应（Hall effect）IS半导体：半导体：N型型载流子是电子；载流子是电子；P型型载流子是空穴载流子是空穴有一有一N型半导体薄片：厚为型半导体薄片：厚为d，宽为，宽为b，AC电极间距为电极间距为lISmV洛伦兹力洛伦兹力霍尔电场霍尔电场霍尔电压霍尔电压动态平衡时动态平衡时P型半导体型半导体xyz电场力电场力-测量霍尔电压测量霍尔电压ISISmV实验中的副效应：u不等势电压V0u厄廷豪森效应VEu能斯特效应VNu里纪-勒杜克效应VRL

3、副效应的消除方法用对称测量法测量+B,+IS VAA=V1-B,+IS VAA=V2-B,-IS VAA=V3+B,-IS VAA=V4xyzVAA仪器介绍仪器介绍xyz霍尔片IS输入+IS-IS霍尔片输出VHVH+-mV+-霍尔效应测试仪霍尔效应测试仪S HVH V（mV）IS（mA）IM(A）IS调节调节IM调节调节IS输输出出IM输输出出VH V输入输入-3.21 .123仪器介绍仪器介绍实验内容实验内容保保持持IM值值不不变变,（取取IM=0.600A），改改变变IS，测测量量VH，用用最最小小二乘法处理数据，计算霍尔系数二乘法处理数据，计算霍尔系数RH，计算载流子浓度计算载流子浓度n

4、。u电磁铁电磁铁励磁电流励磁电流 ，电磁铁常数电磁铁常数电磁铁磁感应强度电磁铁磁感应强度 B的国际单位：特斯拉的国际单位：特斯拉T，单位换算，单位换算RH 霍尔系数霍尔系数1.测量霍尔电压测量霍尔电压,计算霍尔系数计算霍尔系数实验内容实验内容2.测测AC间间电电压压 ，计计算算电电导导率率 ，迁移率迁移率 。u将将实实验验仪仪“VH 输输出出”开开关关倒倒向向 ，在在零零磁磁场场下下（怎怎样样获获得得零零磁磁场场？），取取 ，测量，测量 。注注意意:IS取取值值不不要要大大于于0.20mA，以以免免过大，毫伏表超量程。过大，毫伏表超量程。()()()()霍尔片输出VHVH+-mV数据处理数据处

5、理l记录记录B0、IM，计算磁感应强度，计算磁感应强度B(计算过程计算过程)。l记录霍尔片几何参量记录霍尔片几何参量b、d、l(122页页)。l用用最小二乘法最小二乘法处理数据，记录截距处理数据，记录截距A，斜率，斜率B，相关系数相关系数r。l用用斜率斜率B计算霍尔系数计算霍尔系数RH。l判断材料的导电类型（判断材料的导电类型（N型型P型）。型）。数据处理数据处理l计算计算载流子浓度载流子浓度（单位体积内含有载流子的个数，单位（单位体积内含有载流子的个数，单位 ）l计计算算电电导导率率（描描述述物物体体的的导导电电能能力力，是是电电阻阻率率的的倒倒数数。单单位位：西西门门子子/米米(S/m)）

6、l计计算算迁迁移移率率（是是指指载载流流子子（电电子子和和空空穴穴）在在单单位位电电场场作作用用下下的的平平均均漂漂移移速速度度，即即载载流流子子在在电电场场作作用用下下运运动动速速度度的的大大小小的的量量度度，运运动动得得快快，迁迁移移率率大；运动得慢，迁移率小。单位大；运动得慢，迁移率小。单位 ）注意事项注意事项l霍霍尔尔片片性性脆脆易易碎碎，电电极极甚甚细细易易断断，严严禁禁撞撞击击或或用用手手触触摸摸，否否则则易易遭遭损损坏坏。在在需需要要调调节节霍霍尔尔片片位位置置时时，必必须须谨谨慎慎，切切勿勿随随意意改改变变Y轴轴方方向向的的高高度度，以以免霍尔片与磁极面摩擦而受损。免霍尔片与磁

7、极面摩擦而受损。l决决不不允允许许将将“IM输输出出”接接到到“IS输输入入”或或“VH、V输输出出”处处，否否则则，一旦通电，霍尔样品即遭损坏。一旦通电，霍尔样品即遭损坏。l测测量量V时时，IS不不宜宜过过大大，以以免免数数字字电电压压表表超超量量程程，通通常常IS取取为为0.2mA左右。左右。最小二乘法（直线拟合最小二乘法（直线拟合y=A+Bx）相关系数斜率截距如果相关系数|r|趋于1，说明VH和IS线性关系好，截距A趋于0，说明VH和IS是正比关系，有因为返回返回最小二乘法（直线拟合最小二乘法（直线拟合y=A+Bx）设置状态设置状态 MODE MODE 2 1MODE MODE 2 1清

8、除内存清除内存 SHIFT AC =SHIFT AC =输入数据输入数据 x x1 1 ，y1 M+y1 M+x2 x2 ，y2 M+y2 M+x xn n ，yn M+yn M+截距截距AA SHIFT 7 =SHIFT 7 =2 2位，单位位，单位斜率斜率BB SHIFT 8 =SHIFT 8 =4 4位，单位位，单位相关系数相关系数r r SHIFT (=SHIFT (=保留至不为保留至不为9 9的数的数返回返回霍尔效应（霍尔效应（Hall effect）xyzISP型半导体型半导体ISmV返回返回不等势电压不等势电压 不等势电压是由于霍尔元件的材料本身不均匀，以及电压输入端AA引线在制

9、作时不可能绝对对称地焊接在霍尔片的两侧。因此，当电流 流过霍尔元件时，在电极AA间也具有电势差，记为 ，其方向只随 方向不同而改变，与磁场方向无关。因此，可通过改变 方向予以消除。IS返回返回厄廷豪森效应厄廷豪森效应返回返回 1887年厄廷豪森发现，由于载流子的速度不相等，它们在磁场的作用下，速度大的受到的洛仑兹力大，绕大圆轨道运动，速度小则绕小圆轨道运动，这样导致霍尔元件的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯度。因而产生温差效应，形成电势差，记为 ，其方向取决于 和 的方向。可判断出 和 始终同向。能斯特效应能斯特效应返回返回 由图所示由于输入电流端引线D、E点处的电阻不相等，通电后发热程度不同，使D和E两端之间出现热扩散电流，在磁场的作用下，在A、A两端出现横向电场，由此产生附加电势差，记为 。其方向与 无关，只随磁场方向而变。DE里纪里纪-勒杜克效应勒杜克效应 由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于厄廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度，产生附加电势差，记为 ，其方向只与磁场方向有关，与 同向。返回返回取+B、+测得取 B、+测得取 B、测得取+B、测得消去 、和 得因为 ，一般可忽略不计，所以副效应的消除方法副效应的消除方法返回返回