霍尔效应实验论文

1、题目：霍尔效应的应用摘要：霍尔效应（Hall effect）是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应这个现象是美国物理学家霍尔于1879年发现的，后被称作为霍尔效应；本文通过叙述霍尔效应以及霍尔效应测螺线管磁场的实验，简单介绍了霍尔效应的基本原理和霍尔效应在测量磁场方面的应用，以及电磁测量实验的基本思想，目前霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用半导体的霍尔效应制成的器件已广泛的应用于磁场的测量，非电量电测，自动控制和信息处理等方面。关键词：电磁测量霍尔效应 原理 应用正文：一、实验目的：1了解霍耳效应实验原理以及有关霍耳器件对材料要求的知识。2学习用“对称测量法”

2、消除副效应的影响，测量试样的 和和B - X曲线。二、实验仪器：双踪道电源一台、直流稳压电源一台、低点势直流电位差计一台、光点检流计一台、安培表两台、电阻箱三台，换向开关三个、单刀单掷开关一个、螺线管一个、标准电池一个，导线若干。三、实验原理：1霍耳效应霍耳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。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，即霍耳电场。如图1所示的半导体试样，若在方向通以电流 ，在方向加磁场，则在方向即试样 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试

3、样的导电类型。对图1（a）所示的型试样，霍耳电场逆方向，（b）的P型试样则沿方向。即有：显然，霍耳电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力与洛仑兹力相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有： （1）其中为霍耳电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为，厚度为，载流子浓度为 ，则： (2) 由（1）、（2）两式可得： (3) 即霍耳电压（A 、A'电极之间的电压）与乘积成正比与试样厚度成反比。比例系数称为霍耳系数，它是反映材料霍耳效应强弱的重要参数。只要测出以及知道、（特斯拉）和可按下式计算 ： （4）上式中的 是由于公式中磁感应强度用电磁单位（特斯拉）。

4、2、霍尔元件 霍尔元件如图2所示：几何线度长I、宽b、厚d,通以控制电流，外加磁感应强度B,若灵敏度K已知，则霍尔输出电压=K B 图 23、工作原理和结构本实验装置由6个接线柱，“1”“2”为霍尔元件控制电流输入端，“3”“4”为霍尔元件电压输出端、“5”“6”为螺线管电流输入端。整个装置的原理图如图3：控制电流由电源供给，霍尔输出端接电位差计，磁场由通电螺线管供给。其关系式为：霍尔输出电压=K B.霍尔元控制电流和螺线管工作电流由恒流源供给，移动霍尔元件测出霍尔元件在通电螺线管内各点对应的值，可作出螺线管内轴向磁场分布曲线（B cm）.技术性能：霍尔元件尺寸 8 × 4 

5、5; 0.2 （n型锗片）灵敏度 K =0.610 mV / mAKGS额定控制电流<=40mA不等位电势<0.4mV/20mA螺线管长度 260mm 螺线管匝数 3000±20同1A电流时螺线管中心的磁场强度B为143±IGS螺线管中央均匀磁场区>80mm螺线管内磁场方向（“6”接“-”、“5”接“+”，左N极、右S极如图4示） 图3 图 44、电位差计的校准如图5所示，电位差计的工作原理是根据电压补偿法，先使标准电池En与测量电路中的精密电阻Rn的两端电势差Ust相比较，再使被测电势差（或电压）Ex与准确可变的电势差Ux相比较，通过检流计G两次指零来获

6、得测量结果。图 5 校准：将K2打向“标准”位置，检流计和校准电路联接，Rn取一预定值，其大小由标准电池ES 的电动势确定；把K1合上，调节RP ，使检流计G指零，即En= IRn，此时测量电路的工作电流已调好为 I = En/Rn 。校准工作电流的目的：使测量电路中的Rx 流过一个已知的标准电流Io，以保证Rx电阻盘上的电压示值（刻度值）与其（精密电阻Rx上的）实际电压值相一致。测量：将K2打向“未知”位置，检流计和被测电路联接，保持Io不变（即RP不变），K1合上，调节Rx，使检流计G指零，即有Ex = Ux = Io Rx。由此可得。由于箱式电位差计面板上的测量盘是根据Rx 电阻值标出其

7、对应的电压刻度值，因此只要读出Rx电阻盘刻度的电压读数，即为被测电动势Ex的测量值。 所以，电位差计使用时，一定要先“校准”，后“测量”，两者不能倒置。 UJ31型箱式电位差计是一种测量低电势的电位差计，其测量范围为(置档)或（置档）。使用外接工作电源，标准电池和灵敏电流计均外接，其面板图如图6所示。调节工作图 6 电流（即校准）时分别调节（粗调）、（中调）和（细调）三个电阻转盘，以保证迅速准确地调节工作电流。是为了适应温度不同时标准电池电动势的变化而设置的，当温度不同引起标准电池电动势变化时，通过调节，使工作电流保持不变。被分成（）、（）和（）三个电阻转盘，并在转盘上标出对应的电压值，电位差

8、计处于补偿状态时可以从这三个转盘上直接读出未知电动势或未知电压。左下方的“粗”和“细”两个按钮，其作用是：按下“粗”铵钮，保护电阻和灵敏电流计串联，此时电流计的灵敏度降低；按下“细”按钮，保护电阻被短路，此时电流计的灵敏度提高。为标准电池和未知电动势的转换开关。标准电池、灵敏电流计、工作电源和未知电动势由相应的接线柱外接。UJ31型电位差计的使用方法：（1）将置到“断”，置于“”档或“”档（视被测量值而定），分别接上标准电池、灵敏电流计、工作电源。被测电动势（或电压）接于“未知1”（或“未知2”）。(2)根据温度修正公式计算标准电池的电动势的值，调节的示值与其相等。将置“标准”档，按下 “粗”

9、按钮，调节、和，使灵敏电流计指针指零，再按下 “细”按钮，用和精确调节至灵敏电流计指针指零。此操作过程称为“校准”。(3) 将置“未知1”(或“未知2”)位置，按下“粗”按钮，调节读数转盘、使灵敏电流计指零，再按下 “细”按钮，精确调节读数转盘使灵敏电流计指零。读数转盘、和的示值乘以相应的倍率后相加，再乘以所用的倍率，即为被测电动势（或电压）。4、光点式灵敏检流计 a 、结构和原理AC15型检流计的面板如图7所示，图中零点调节为粗调旋钮，固定在标尺上的手柄为零点调节，左右移动它可使光斑准确对准零点，面板的左上部有一转换旋钮（分流器），当它指“×1”档时，灵敏度最高，指“×0

10、.1”和“×0.01”档时，灵敏度分别降低为1/10和1/100，如标盘上找不到光点影象时，可将检流及开关置于直接处， 图 7并将检流极轻微摆动，如有光点影象扫掠时，则可调节零点调节器，将光点调至标度盘上，当光斑晃动不止或搬动检流计时，应将旋钮指向“短路”位置，以便保持检流计的张丝。光电式灵敏检流计的结构如图8所示，在永久磁铁之间有一圆柱形软铁芯，使空隙中的磁场呈辐射状分布。用张丝将一多匝矩形线圈垂直悬挂于空隙中，在线圈下面装置了一平面小镜，从光源发出的一束定向聚焦光首先投射在小镜上，反射后射到凸面镜上，再反射到长条平面镜上，最后反射到弧形标度尺上，形成一个中间有一条黑色准丝像的方形

11、光斑。当有微弱电流通过线圈时，此线圈在电磁力矩作用下以张丝为轴而偏转，于是小镜的反射光也改变方向。这个反射光起了电流计指针的作用，由于这种装置没有轴承，消除了难以避免的机械摩擦，又由于放射光束多次来回反射，增加了“光指针”的长度，使在同样转角下，“光指针针尖”（光斑）所扫过的弧度增加，所以这种电流计的灵敏度得到大大提高。b 、使用 如图7待测电流由面板左下角标有“+”和“-”的两个接线柱接入，一般可以不考虑正负。检流计电源插口在仪器背面，有AC220V和AC6V两种，在接通电源前，要特别注意电源的选择开关应和实际电源相符，本实验用AC6V。 实验时，先接通电源，看到光标后将分流器旋钮从“短路”

12、档转到“×0.01” 档，看光标是否指“0”，若光标不指“0”，应使用零点调节器和标盘活动调零器把光标调到“0”点。若找不到光标，先检查仪器的小灯泡是否发光，若小灯泡是亮的，轻拍检流计，观察光标偏在哪边，若偏在左边，逆时针旋转零点调节器；若偏在右边，则顺时针旋转零点调节器，使光标露出并调零。(3) 测量时，检流计的“分流器”应从最低灵敏度档（×0.01档）开始，或者把“分流器”旋钮直接转到指定的档位“直接”档上，对检流计进行调节。当实验结束时必须将分流器置于“短路”档，以防止线圈或悬丝受到机械振动而损坏。5、霍耳系数与参数间的关系根据可进一步确定以下参数：（1）由的符号（或

13、霍耳电压的正负）判断样品的导电类型。判别的方法 图 8是按图1所示的和的方向，若测得的即点A点电位高于点A'的电位，则为负，样品属型；反之则为型。（2）由求载流子浓度。即。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，严格一点，如果考虑载流子的速度统计分布，需引入的修正因子。6、霍耳电压的测量方法 值得注意的是，在产生霍耳效应的同时，因伴随着各种副效应，以致实验测得的两极间的电压并不等于真实的霍耳电压值，而是包含着各种副效应所引起的附加电压，因此必须设法消除。根据副效应产生的机理可知，采用电流和磁场换向的对称测量法，基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。即在规定了电

14、流和磁场正、反方向后，分别测量由下列四组不同方向的和组合的（A'、A两点的电位差）即： ， ， ， ， 然后求、和的代数平均值： （6）通过上述的测量方法，虽然还不能消除所有的副效应，但其引入的误差不大，可以忽略不计。 四、实验内容:1、仔细阅读本实验使用说明书后，根据自己设计的实验电路图图9，连接实物图。 图 9 2、根据图10连接好校准电位差计的电路图，其中1是标准电池（1.0186V）,2是直流电源，G是灵敏检流计。调节灵敏度为0.01，然后校准。 图 103、测定、的关系将校准电路接入实验电路中，将电位差计打到未知2档，保持恒流稳压源Is =14mA，调节电阻箱R3使在不同的

15、（300mA1000mA）时用电位差计测量相应的电位差，并记录数据填入表格，根据记录的数据描绘出相应的曲线。表格见下页：Is =14mA 300mA1000mA IMV1(mV)V2（mV）V3（mV）V4（mV） (A)+Is+B +Is-B -Is-B -Is、+B0.30026.24223.84124.62626.4525.289750.40026.65424.42223.53426.73125.335250.50027.27524.30824.27327.1325.74650.60027.6224.11624.227.86325.949750.70028.42524.3124.3172

16、7.09926.037750.80028.77624.21624.2328.88826.52750.929.58424.42124.36429.26526.9085129.81724.18726.39432.12828.1315 描绘曲线4、测定、的关系保持=0.600mA不变，改变的值，IS取值范围为（1.00mA4.00mA），用电位差计测量相应的电位差，并记录数据填入表格，根据记录的数据描绘出相应的曲线。IM600mA Is取值：1.00-4.00 mA。IsV1（mV）V2（mV）V3（mV）V4（mV）(mA)+Is+B+Is-B -Is、+B-Is-B 1.001.7461.698

17、1.8391.7941.7461.502.6352.9542.7532.6852.81952.003.5813.4923.6833.5933.54252.504.5174.3974.6124.4964.44653.005.3345.2035.4365.35.25153.56.1806.016.2726.1176.06354.007.1076.3927.2137.0046.929描绘曲线5、测量B、X的关系保持=600mA值不变，改变的值，取值范围为300mA1000mA，用电位差计测量相应的电位差，并记录相应的数据，根据记录的数据做出曲线。X/cmV1（mV）V2（mV）V3（mV）V4（mV

18、）VH = (V1- V2+ V3- V4 )/4 B(位置)+Is,+B+Is,-B-Is,+B-Is,-B(mV)(GS)011.48711.48112.205112.072111.7243732.033311.641111.648112.252412.072711.847232.369611.734211.732312.261212.264811.96442532.689911.660711.670112.260112.266811.9644332.6891211.665211.672212.287512.280711.976432.7221511.672811.680812.29331

19、2.284611.9828832.741811.672311.680712.293212.286411.9831532.7412111.562211.670712.286312.282511.9504332.6512411.57711.550912.204811.982111.828732.319描绘曲线BX曲线五、注意事项：1、在校准时出现检流计总往一个方向偏，这是因为工作回路不通或是 正负极性接错，这时一定要检查电路将正负极接正确，同样测量时也要注意正负极的接法；2 、霍尔元件最大允许通过的电流为40mA，超过将损坏元件； 3、改变霍尔元件电流控制的方向，其霍尔不等位电势的差别是由于元件的电学不对称性引起的。4、正确测量霍尔输出电压的