霍尔效应试验报告

大大 学学 本本 专专 科实验报告科实验报告 课程名称 姓名 学院 系 专业 年级 学号 指导教师 成绩 年月日 1 （实验报告目录） 实验名称 一、实验目的和要求 二、实验原理 三、主要实验仪器 四、实验内容及实验数据记录 五、实验数据处理与分析 六、质疑、建议 2 霍尔效应实验 一．实验目的和要求一．实验目的和要求 1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数. 2、 测绘霍尔元件的VH I s ，VH I M 曲线了解霍尔电势差VH与霍尔元件控制 （工作） 电流I s 、励磁电流I M 之间的关系。 3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度B 及磁场分布。 4、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。 5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 二．实验原理二．实验原理 1、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 负电荷在不同侧的聚积，从而形成附 加的横向电场。 如右图（1）所示，磁场B 位于 Z 的正向，与之垂直的半导体薄片上沿 X 正向通以电流I s （称为控制电流或 工作电流） ，假设载流子为电子（N 型 半导体材料） ，它沿着与电流I s 相反的 X 负向运动。 由于洛伦兹力f L 的作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于 y 轴负方向的 B 侧偏转， 并使 B 侧形成电子积累， 而相对的 A 侧形成正电荷积累。 与此同时运动的电子还受到由于两 种积累的异种电荷形成的反向电场力f E 的作用。随着电荷积累量的增加，f E 增大，当两力 大小相等（方向相反）时，f L -f E ，则电子积累便达到动态平衡。这时在 A、B 两端面之 间建立的电场称为霍尔电场E H ，相应的电势差称为霍尔电压V H 。 设电子按均一速度V向图示的 X 负方向运动，在磁场 B 作用下，所受洛伦兹力为 d z Y x B A fE V fL B L l IS VH 图 1 f L -eVB 式中 e 为电子电量，V为电子漂移平均速度，B 为磁感应强度。 同时，电场作用于电子的力为 f E  eE H  eV H /l 式中E H 为霍尔电场强度，VH为霍尔电压，l为霍尔元件宽度 3 当达到动态平衡时，f L   f E VB V H /l （1） 设霍尔元件宽度为l，厚度为 d，载流子浓度为 n，则霍尔元件的控制（工作）电流为 I s  neVld （2） 由（1） ， （2）两式可得 V H  E H l  I B1 I s B  R H s （3） ne dd 即霍尔电压V H （A、B 间电压）与 Is、B 的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比 例系数RH 1 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，根据材料的电导 ne 率σ neμ 的关系，还可以得到 R H / （4） 式中为材料的电阻率、μ 为载流子的迁移率，即 单位电场下载流子的运动速度，一 般电子迁移率大于空穴迁移率，因此制作霍尔元件时大多采用N 型半导体材料。 当霍尔元件的材料和厚度确定时，设K H  R H /d 1/ned （5） 将式（5）代入式（3）中得 V H  K H I s B （6） 式中K H 称为元件的灵敏度， 它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍 尔电势大小，其单位是[mV /mAT]，一般要求K H 愈大愈好。 若需测量霍尔元件中载流子迁移率μ ,则有  VV L  7 EIVI LIS  （8） lVI 将2式、5式、7式联立求得  KH 其中 VI为垂直于 IS方向的霍尔元件两侧面之间的电势差， EI为由 VI产生的电场强度， L、 l 分别为霍尔元件长度和宽度。 由于金属的电子浓度 n 很高，所以它的RH或K H 都不大，因此不适宜作霍尔元件。此 外元件厚度 d 愈薄，K H 愈高，所以制作时，往往采用减少d 的办法来增加灵敏度，但不能 认为 d 愈薄愈好， 因为此时元件的输入和输出电 阻将会增加，这对锗元件是不希望的。 应当注意， 当磁感应强度 B 和元件平面法线 成一角度时（如图 2） ，作用在元件上的有效磁 场是其法线方向上的分量Bcos，此时 θ IVH V H  K H I s Bcos 9 所以一般在使用时应调整元件两平面方 位 ， 使 V H 达 到 最 大 ， 即 θ0 ， 图2 V H K H I s Bcos K H I s B 由式（9）可知，当控制（工作）电流I s 或磁感应强度 B，两者之一改变方向时，霍尔 4 电压VH的方向随之改变； 若两者方向同时改变， 则 霍尔电压VH极性不变。 霍尔元件测量磁场的基本电路如图3， 将霍尔元 件置于待测磁场的相应位置，并使元件平面与磁感 应强度 B 垂直， 在其控制端输入恒定的工作电流I s ， 霍尔元件的霍尔电压输出端接毫伏表，测量霍尔电 势VH的值。 H Is mv VH 三．主要实验仪器三．主要实验仪器 1、 ZKY-HS 霍尔效应实验仪 图3 包括电磁铁、二维移动标尺、三个换向闸刀开关、霍尔元件及引线。 2、 KY-HC 霍尔效应测试仪 四．实验内容四．实验内容 1、研究霍尔效应及霍尔元件特性 ① 测量霍尔元件灵敏度KH，计算载流子浓度 n（选做） 。 ② 测定霍尔元件的载流子迁移率μ 。 ③ 判定霍尔元件半导体类型（P 型或 N 型）或者反推磁感应强度B 的方向。 ④ 研究VH与励磁电流I M 、工作（控制）电流IS之间的关系。 2、测量电磁铁气隙中磁感应强度B 的大小以及分布 ① 测量一定 IM条件下电磁铁气隙中心的磁感应强度B 的大小。 ② 测量电磁铁气隙中磁感应强度B 的分布。 五．实验步骤与实验数据记录五．实验步骤与实验数据记录 1、仪器的连接与预热 将测试仪按实验指导说明书提供方法连接好，接通电源。 2、研究霍尔效应与霍尔元件特性 ① 测量霍尔元件灵敏度KH，计算载流子浓度 n。 （可选做） 。 a.调节励磁电流 IM为 0.8A，使用特斯拉计测量此时气隙中心磁感应强度B 的大小。 b. 移动二维标尺，使霍尔元件处于气隙中心位置。 c. 调节I s 2.00、10.00mA（数据采集间隔 1.00mA） ，记录对应的霍尔电压 VH填入 表（1） ，描绘 ISVH关系曲线，求得斜率 K1K1VH/IS。 d. 据式（6）可求得 KH，据式（5）可计算载流子浓度 n。 ② 测定霍尔元件的载流子迁移率μ 。 a. 调节I s 2.00、10.00mA（间隔为 1.00mA） ，记录对应的输入电压降 VI填入表 4， 描绘 ISVI关系曲线，求得斜率K2（K2IS/VI） 。 b. 若已知 KH、L、l，据（8）式可以求得载流子迁移率μ 。 5 c.判定霍尔元件半导体类型（P 型或 N 型）或者反推磁感