霍尔效应-讲义精品文档7

1、第1页霍尔效应霍尔效应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。从本质上讲，霍尔效应是电流的一种磁效应。1879 年，美国霍普金斯大学 24 岁的研究生霍耳在研究载流导体在磁场中受力性质时发现了这一电磁现象一一霍尔效应。随后人们在半导体、导电流体中也发现了霍耳效应，且半导体的霍耳效应比金属强得多。霍耳效应发现约 100 年后，1980 年由德国科学家克利青等人又发现了整数量子霍耳效 应（IQHE），并于 1985 年获得了诺贝尔物理学奖。1982 年，崔琦、施特默和劳夫林又发现了分数量子霍耳效应（FQHE），获得了 2019 年诺贝尔物理学奖。随着科学技术的发展，霍耳效应已在测量、自

2、动控制、计算机和信息技术等方面得到了广泛的应用，主要用途有以下几个方面：（1）测量磁场；（2）测量直流或交流电路中的电流强度和功率；（3）转换信号，如把直流电流转换成交流电流并对它进行调制，放大直流和 交流信号；（4）对各种物理量（可转换成电信号的物理量）进行四则运算和乘方开方运算。由霍耳效应制成的霍耳元件具有结构简单而牢靠、使用方便、成本低廉等优点，在生产和科研实际中得到越来越普遍的应用。【实验目的】1了解霍尔效应的原理；2 掌握霍尔电压的测量方法，学会用霍尔器件测量磁场；3 .测量霍尔器件的输出特性。【实验仪器】DH4512 系列霍尔效应实验仪【实验原理】一、霍尔效应的基本原理与应用霍尔效

3、应从本质上讲， 是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。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。对于（图10-1）所示的半导体试样，若在 X 方向通以电流 I，在 Z 方向加磁场 B,则在 Y 方向即试样 A、A 电极两侧就开始聚积异 号电荷而产生相应的第2页附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。显然，该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 eEH与洛仑兹力 eVB 相等时，样品两侧电 荷的积累就达到平衡，故有：eEH二 eVB（ 10-1）其中，EH为霍尔电场，V

4、 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为 b,厚度为 d,载流子浓度为 n,则Is= neVbd（ 10-2）由（10-1 ）、（ 10-2）两式可得：1 IsBIsBVH= EHb-RH（ 10-3）ne dd即霍尔电压VH（ A、A 电极之间的电压）与I-B 乘积成正比，与试样厚度d成反比。比例1系数RH称为霍尔系数，它是反映材料的霍尔效应强弱的重要参数。ne图10-1半导体样品霍尔效应示意图霍尔器件就是利用上述霍尔效应制成的电磁转换元件。对于成品的霍尔器件，其中 RH和d已知，因此在实用上就将（10-3）式写成VH= KHIsB（ 10-4）其中KH二电，称为霍尔器件的灵敏度（

5、其值由制造厂家给出），它表示该器件在单位工d作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压。（10-4）式中的单位取 Is为 mA、B为 KGS第3页（1GS =10 午），VH为 mV，则 KH的单位为 mV/（mA KGS）。根据（10-4）式，因 心已知,而 Is由实验给出，所以只要测出VH就可以求得未知磁感应强度BVHB-（ 10-5）KHIS、霍尔电压 V-的测量方法应该说明，在产生霍尔效应的同时，会伴随着一些热磁副效应，及性等因素而引起的附加电压叠加在霍耳电压VH上，从而引起测量误差。以致实验测得的 A、A 两电极之间的电压并不等于真实的VH值，而是包含着各种副效应等引起的附加电压，因此必

6、须设法消除。根据副效应产生的机理（参阅附录）可知，采用电流和磁场换向的对称测量法，基本上能够把副效应的影响从测量的结果中消除。具体的做法是保持 Is和B（即励磁电流 IM）的大小不变，自行定义工作电流Is和外加磁场B的正方向，通过双刀换向开关来改变工作电流Is和外加磁场B的方向组合，并测出四组数据，即:然后，求上述四组数据 VI、V2、V3、V4的代数（有正负之分）平均值，可得：1 VH（VI- V2V3-V4）（ 10-6）4通过对称测量法求得的 VH，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可 略而不计。（10-5） 、（ 10-6）两式就是本实验用来测量磁感应强度B的依据。【

7、实验步骤与要求】一、连接电路按仪器面板上的文字和符号提示将DH4512 型霍尔效应测试仪与霍尔效应实验架正确连接。1.将 DH4512 型霍尔效应测试仪面板右下方的励磁电流IM的直流恒流源输出端（0A、A 电极的不对称第4页0.5A ）,接 DH4512 型霍尔效应实验架上的IM磁场励磁电流的输入端（将红接线柱与红接线 柱对应相连，黑接线柱与黑接线柱对应相连）。2.测试仪”左下方供给霍尔元件工作电流Is的直流恒流源（03mA ）输出端，接 实验 架”上Is霍尔片工作电流输入端（将红接线柱与红接线柱对应相连，黑接线柱与黑接线柱对应相连）。3.测试仪”VH霍尔电压输入端，接 实验架”中部的VH霍尔

8、电压输出端。4.用一边是分开的接线插、一边是双芯插头的控制连接线与测试仪背部的插孔相连接（红色插头与红色插座相联，黑色插头与黑色插座相联）。注意：(1)以上仪器上的三组线千万不要接错，以免烧坏元件。(2 )不要接通电源。二、研究霍尔效应与霍尔元件特性1 测量霍尔元件的零位(不等位)电势V。和不等位电阻Ro(1)用连接线将中间的霍尔电压输入端短接，调节调零旋钮使电压表显示O.OOmV ;(2)将IM电流调节到最小，同时，将霍尔元件移至线圈中心；(3)调节霍尔工作电流Is=3.00mA，利用Is换向开关改变霍尔工作电流输入方向分别测出零位霍尔电压VO1、V02，并计算不等位电阻：R0i= 丫01,

9、 农2= 丫02。1S1S2测量霍尔电压VH与工作电流Is的关系(1)先将Is,IM都调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为0mV。(2)调节IM= 500mA，调节ls=0.5mA,按表中Is,IM正负情况切换 实验架”上的方 向，分别测量霍尔电压VH值(V11V21V31V4)填入表 10-1。以后Is每次递增 0.50mA，测 量各V1.V2.V3.V4值。绘出Is-VH曲第5页线，验证线性关系。表10-1lsVHIM= 500mAIS(mA)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)Vum4+IS+IM+ IS-IM-IS-IM-IS+IM0.501.001.502.002.50

10、3.003测量霍尔电压VH与励磁电流IM的关系(1)先将IM、Is调零，调节Is至 3.00mA。(2)调节IM=100、150、200500mA(间隔为 50mA),分别测量霍尔电压VH值填入表10-2 中的值。第6页(3)根据表 10-2 中所测得的数据，绘出VH-IM曲线，验证线性关系的范围，分析当IM达到一定值以后，VH-IM直线斜率变化的原因。表10-2VH-IMls=3.00mAlM(mA)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4VV1 V2 *V3 -V44+ls+lM+ ls-|M-|s-|M-|s+lM100150200250300350400450500三、测量通电圆线圈中

11、磁感应强度B的分布1.先将IM、Is调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为0mV。2将霍尔元件置于通电圆线圈中心，调节IM= 500mA，调节Is= 3.00mA，测量相应的 VH。表10-3VH- X ls= 3. 0ChA lM= 500 mAX(mm)V1(mV)V3(mV)V4VHV1 V2+V3 V443 .将霍尔元件从中心向边缘移动每隔5mm 选一个点测出相应的 W ,填入表 10-3。4 .由以上所测 VH值，由公式:VH=KH|SBCOSB = KH|SB得到KHIS5 计算出各点的磁感应强度，并绘B - X图，得出通电圆线圈内B的分布。第7页+ls+lMVls-|M-ls-|

12、M-|s+lM0510152025303540【仪器使用注意事项】1 当霍尔片未连接到实验架，并且实验架与测试仪未连接好时，严禁开机加电，否则，极易使霍尔片遭受冲击电流而使霍尔片损坏。2 霍尔片性脆易碎、电极易断，严禁用手去触摸，以免损坏！在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎。3 加电前必须保证测试仪的“S调节”和“M调节”旋钮均置零位（即逆时针旋到底） ，严禁IS、IM电流未调至U零就开机，否贝V极易使霍尔片遭受冲击电流而使霍尔片 损坏。4.测试仪的“S输出”接实验架的“S输入” “M输出”接“M输入”。决不允许将“M输出” 接到“S输入处，否则一旦通电，会损坏霍尔片！5 接线时红色插头插在红色插孔，黑色插头插在黑色插孔，一定不能接错！接线后应仔细检查，再开机通电。6为了不使通电线圈过热而受到损害，或影响测量精度，除在短时间内读取有关数据，通过励磁电流IM夕卜，其余时间最好断开励磁电流。7本次实验使用的霍尔效应测试仪工作电压为24 伏，IS最大为 3mA ,IM最大为 0.5A ,使用时严禁使电流超过最大值。第8页&关机前，应将测试仪的“s调节”和“M调节”旋钮均置零位（即逆时针旋到底），使其输出电流趋于零，然后才可切断电源。注意：移动尺的调节范围有限！在调节到两边停止移动后，不可继续调节，以免因错位而 损坏移动尺。【预习思