霍尔效应实验仪原理及其应用

1、、实验名称:霍尔效应原理及其应用、实验目的:1、了解霍尔效应产生原理；2、 测量霍尔元件的 Vh _Is、Vh _Im曲线，了解霍尔电压 Vh与霍尔元件工作电流s、直 螺线管的励磁电流Im间的关系；3、 学习用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法，测量长直螺旋管轴向磁感应强度B及分布；4、学习用对称交换测量法（异号法）消除负效应产生的系统误差。三、 仪器用具：YX-04型霍尔效应实验仪（仪器资产编号）四、实验原理：1、霍尔效应现象及物理解释霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力fB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于电流和磁场的方向上

2、产生 正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图1所示。I半导体样品，若在X方向通以电流Is，在z方向加磁场 B，则在y方向即样品A、A 电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的电场Eh，电场的指向取决于样品的导电类型。显然，当载流子所受的横向电场力存：fB时电荷不断聚积，电场不断加强，直到fE = fB样品两侧电荷的积累就达到平衡，即样品A、A 间形成了稳定的电势差（霍尔电压）Vh。设Eh为霍尔电场，V是载流子在电流方向上的平均漂移速度;载流子浓度为n,则有：样品的宽度为b，厚度为d，(1-1)因为二 eEHfB 二 evB，又根据 fE 二 fB，则V Eh b 1 竺=RH 竺ne d

3、d(1 2)I s 二 nevbd其中Rh “/(ne)称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出Vh、b以及知道Is和d，可按下式计算R4m3/c)：RhVHdI sB(1 3)(1 4)Kh匚Uh /IsBKh为霍尔元件灵敏度。根据r h可进一步确定以下参数。(1) 由Vh的符号(霍尔电压的正负) 判断样品的导电类型。 判别的方法是按图1所示的 Is和B的方向(即测量中的+ Is, + B)，若测得的Vh vo (即a的电位低于a的电位)， 则样品属n型，反之为p型。(2) 由Vh求载流子浓度n，即n (ed)。应该指出，这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的。

4、严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入3二/8的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著半导体物理学)。(3) 结合电导率的测量，求载流子的迁移率。电导率二与载流子浓度n以及迁移率J之间有如下关系：(1 5)图2 在磁场中的霍尔元件丁 = neJ2、霍尔效应中的副效应及其消除方法上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多。产生上述霍尔效应的同时还伴随产生 四种副效应，使 Vh的测量产生系统误差，如图 2所示。(1) 厄廷好森效应引起的电势差Ve。由于电子实际上并非以同一速度v沿y轴负向运 动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点3的侧面，从而导致3侧面较4侧面集中较多能量高的电子，结果3、4

5、侧面出现温差，产生温差电动势Ve。可以证明VeJB。Ve的正负与Is和B的方向有关。(2) 能斯特效应引起的电势差 Vn。焊点1、2间接触电阻可能不同， 通电发热程度不同， 故1、2两点间温度可能不同，于是引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热扩散电流也会在3、4点间形成电势差 Vn。若只考虑接触电阻的差异，贝U Vn的方向仅与磁场 B的方向有关。(3) 里纪-勒杜克效应产生的电势差 Vr。上述热扩散电流的载流子由于速度不同，根据厄廷好森效应同样的理由，又会在3、4点间形成温差电动势Vr。Vr的正负仅与B的方向有关，而与Is的方向无关。(4) 不等电势效应引起的电势差 Vo。由于制造上的困难及材

6、料的不均匀性，3、4两点实际上不可能在同一等势面上，只要有电流沿x方向流过，即使没有磁场 B ,3、4两点间也 会出现电势差Vo。Vo的正负只与电流Is的方向有关，而与 B的方向无关。综上所述，在确定的磁场 B和电流Is下，实际测出的电压是霍尔效应电压与副效应产生的 附加电压的代数和。 可以通过对称测量方法，即改变Is和磁场B的方向加以消除和减小副效应的影响。在规定了电流Is和磁场B正、反方向后，可以测量出由下列四组不同方向的Is和B组合的电压。即：+B,Is :V1 二 VhVe VnVr Vo+B,-1 s :V -Vh -VeVnVr -Vo-B,-1S :V3 = VhVe -Vn -

7、Vr -V。-B,Is :V4 二-h -Ve -Vn -Vr Vo然后求Vl，V2，V3，V4的代数平均值得:Vi -V2 V3 -V4(Vh Ve)通过上述测量方法，虽然不能消除所有的副效应，但Ve较小，引入的误差不大，可以忽略不计，因此霍尔效应电压 Vh可近似为1Vh ： - (Vi -V2 V3 -V4)43、直螺线管中的磁场分布(1 6)1、以上分析可知，将通电的霍尔元件放置在磁场中，已知霍尔元件灵敏度 和Vh，就可以计算出所处磁场的磁感应强度B。Kh，测量出IsVhKh Is(1 7)2、直螺旋管离中点 X处的轴向磁感应强度理论公式:JNIsLx2LL 、22 1/2（2 -X）r

8、。+L 、22 1/2（-X）ro （1 8）式中，是磁介质的磁导率，N为螺旋管的匝数，Is为通过螺旋管的电流，L为螺旋管的长度，r。是螺旋管的内径，x为离螺旋管中点的距离。X=0时，螺旋管中点的磁感应强度B0 =JNIs22、1/2（1 9）（L 4r。）五、实验内容:测量霍尔元件的Vh -|s、Vh _lm关系;1、将测试仪的“ ls调节”和“ lm调节”旋钮均置零位（即逆时针旋到底），极性开关选择置“ 0”。2、 接通电源，电流表显示“ 0.000”。有时，ls调节电位器或lm调节电位器起点不为零， 将出现电流表指示末位数不为零，亦属正常。电压表显示“0.0000 ”。3、测定Vh -

9、l s关系。取l m = 900mA保持不变；霍尔元件置于螺旋管中点（二维移动尺水平方向14.00cm处与读数零点对齐）。顺时针转动“ ls调节”旋钮，ls依次取值为1.00 , 2.00 ,，10.00mA，将ls和lm极性开关选择置“ + ” 和“”改变 ls与lm的极性，记录相 应的电压表读数 Vi值，填入数据记录表 1。4、 以Vh为横坐标，丨s为纵坐标作Vh 一 ls图，并对Vh 一 ls曲线作定性讨论。5、测定Vh -Im关系。取Is=10 mA ,保持不变；霍尔元件置于螺旋管中点（二维移动尺水平方向14.00cm处与读数零点对齐）。顺时针转动“Im调节”旋钮，Im依次取值为0,

10、100,200，900 mA,将Is和Im极性开关择置“ + ” 和“”改变 Is与Im的极性，记录相应的 电压表读数Vi值，填入数据记录表 2。6、 以Vh为横坐标，Im为纵坐标作Vh图，并对Vh曲线作定性讨论。测量长直螺旋管轴向磁感应强度B1、取 Is=10 mA, Im = 900mA2、 移动水平调节螺钉，使霍尔元件在直螺线管中的位置X （水平移动游标尺上读出），先从14.00cm开始，最后到0cm点。改变Is和Im极性，记录相应的电压表读数 Vi值，填入数据 记录表3,计算出直螺旋管轴向对应位置的磁感应强度B。3、 以X为横坐标，B为纵坐标作B-x图，并对B-x曲线作定性讨论。4、

11、用公式（1 8）计算长直螺旋管中心的磁感应强度的理论值，并与长直螺旋管中心磁感 应强度的测量值 B14比较，用百分误差的形式表示测量结果。 式中o = 4二1H/m,其余参 数详见仪器铭牌所示。六、注意事项：1、 为了消除副效应的影响，实验中采用对称测量法，即改变Is和Im的方向。2、 霍尔元件的工作电流引线与霍尔电压引线不能搞错；霍尔元件的工作电流和螺线管的励 磁电流要分清，否则会烧坏霍尔元件。3、 实验间隙要断开螺线管的励磁电流Im与霍尔元件的工作电流Is，即Im和Is的极性开关置0位。4、霍耳元件及二维移动尺容易折断、变形，要注意保护，应注意避免挤压、碰撞等，不要 用手触摸霍尔元件。七、

12、数据记录：Kh=23.09，N=3150匝，L=280mm,r=13mm表 1 VH - Is 关系(1 m =900mAIs(mA)% (mV冬（mV眄（mV兀（mV1Vh-V2+W V4)(mV)4+I +I m，1 s+Im ,s+Im,s+1I m，1 s1.000.28-0.270.31-0.300.292.000.59-0.580.63-0.640.613.000.89-0.870.95-0.960.904.001.20-1.161.27-1.291.235.001.49-1.461.59-1.611.546.001.80-1.771.90-1.931.857.002.11-2.0

13、72.22-2.252.178.002.41-2.382.65-2.542.479.002.68-2.692.84-2.872.7710.002.99-3.003.17-3.193.09表 2 Vh - * 关系(IggoomA)Im(mA)斫（mV匚（mV耳（mV兀（mVVHhMiA4)(mV4+I +I m，1 s+I-I m，1 sTm , T s-I +I1 m 1 so-0.100.080.14-0.160.121000.18-0.200.46-0.470.332000.52-0.540.80-0.790.663000.85-0.881.14-1.151.004001.20-1.22

14、1.48-1.491.355001.54-1.561.82-1.831.696001.88-1.892.17-2.162.027002.23-2.242.50-2.512.378002.56-2.582.84-2.852.719002.90-2.923.18-3.203.05表 3 B -X关系Is=io.oomA, Im=900mAI m(mA)斫（mV匚（mV耳（mV兀（mVB x 10-3T+I +I1 m1 s+Im ,-Im ,sI +I1 m 1 s00.54-0.560.73-0.742.880.50.95-0.991.17-1.184.641.01.55-1.581.80-1.757.232.02.332.37-2.88-2.5210.574.02.74-2.792.96-2.9412.306.02.88-2.923.09-3.0812.908.02.91-2.953.13-3.1