最新霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用實驗報告資料

1、學(xué)生物理實驗報告實驗名稱霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用學(xué)院專 業(yè)班 級報告人學(xué)號同組人學(xué) 號理論課任課教師實驗課指導(dǎo)教師實驗日期報告日期實驗成績批改日期實驗?zāi)康模?）了解霍爾效應(yīng)實驗原理以及有關(guān)霍爾器材對材料要求的知識（2） 學(xué)習(xí)用“對稱測量法”消除負(fù)效應(yīng)的影響，測量試樣Vh-ls和Vh-lm曲線（3）確定試樣的導(dǎo)電類型，載流子濃度以及遷移率實驗儀器1 . TH H型霍爾效應(yīng)實驗儀，主要由規(guī)格為 >3.00kGS/A電磁鐵、N型半導(dǎo)體硅單晶切薄片式 樣、樣品架、Is和Im換向開關(guān)、Vh和V ,（即Vac）測量選擇開關(guān)組成。2 . TH- H型霍爾效應(yīng)測試儀，主要由樣品工作電流源、勵磁電流源和直流數(shù)字毫

2、伏表組成。實驗原理霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷 的聚積，從而形成附加的橫向電場，即霍爾電場。對于圖（1） （ a）所示的N型半導(dǎo)體試樣，若在X方向的電極D、E上通以電流Is,在Z方向加磁場B，試樣中載流子（電子）將受洛侖茲力：Fg = e v B（1）E（a）（b）圖（1）霍爾效應(yīng)示意圖則在Y方向即試樣A、A電極兩側(cè)就開始聚積異號電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場-霍爾電場。電場的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。對 N型試樣，霍爾電場逆 Y方向，P型試樣則沿Y方向，其一般關(guān)系

3、可表示為eEH顯然，該霍爾電場是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)載流子所受的橫向電場力(2)與洛倫茲力匚-Fe相等時，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡，此時有FE=eEn其中Eh為霍爾電場強度，是載流子在電流方向上的平均漂移速率。設(shè)試樣的寬度為 b,厚度為d，載流子濃度為n,則Is =nevbd（ 3）由（2）、（ 3）兩式可得1nedI sBdI sB在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時， 因伴隨著多種副效應(yīng)， 以致實驗測得的 A、A '兩電極之間的電壓并不等于真實的Vh值，而是包含著各種副效應(yīng)引起的附加電壓，因此必須設(shè)法消除。根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn) 生的機(jī)理可知，采用電流和磁場換向的對稱測量法，基本上能夠把副效應(yīng)的

4、影響從測量的結(jié)果中 消除，具體的做法是Is和B的大小不變，并在設(shè)定電流和磁場的正、反方向后，依次測量由下列 四組不同方向的Is和B組合的兩點之間的電壓Vi、V2、V3、和V4 ,即 +1 s, +B，Vi+1s，-B ，V2-Is，-B，V3-Is，+B，V4然后求上述四組數(shù)據(jù) Vi、V2、V3和V4的代數(shù)平均值，可得：V1_V2+V3_V4/、八V h ：(mV)( 5)4.通過對稱測量法求得的 Vh,雖然還存在個別無法消除的副效應(yīng)，但其引入的誤差甚小，可以略而 不計。由式(4)可知霍爾電壓 VH (A、A '電極之間的電壓)與IsB乘積成正比，與試樣厚度 d成反比。比例系數(shù)稱為霍爾

5、系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強弱的重要參數(shù)。只要測出Vh(V)以及知道Is (A)、B(T) 和 d (nr)可按下式計算 Rh霍爾系數(shù)n e(6)根據(jù)Rh可進(jìn)一步確定以下參數(shù)：(1) 由Rh的符號(或霍爾電壓的正、負(fù))判斷試樣的導(dǎo)電類型。判斷的方法是按圖(1)所示的Is和B的方向，若測得的 Vh= Vaa，V 0,(即點A的電位低于點 A '的電位)貝y Rh為負(fù)，樣品 屬N型，反之則為P型。1(2) 求載流子濃度。由n=可求出載流子濃度。 應(yīng)該指出，這個關(guān)系式是假定所有的載流I珂e子都具有相同的漂移速率得到的，如果考慮載流子的漂移速率服從統(tǒng)計分布規(guī)律，需引入修正因子 3 n /8。(

6、3) 結(jié)合電導(dǎo)率的測量，求載流子的遷移率 。電導(dǎo)率b可以通過圖(a)所示的AC電極 進(jìn)行測量。設(shè) A、C間的距離L=3.00mm,樣品的橫截面積為 S=bd,流經(jīng)樣品的電流為Is,在零磁場 下，若測得A、C間的電位差為 Vb,可由下式求得b ,(7)IsLCT =v；$電導(dǎo)率b與載流子濃度n以及遷移率之間有如下關(guān)系： b = n e(8)即卩=|Rh| b，通過實驗測出b值即可求出卩。咼、電阻率p p雖高，但1極小, P適中，是制造霍N型材料，又根據(jù)上述可知，要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是要選擇霍爾系數(shù)大(即遷移率 亦較高)的材料。因|Rh| =卩P ,就金屬導(dǎo)體而言，和P均很低，而不良導(dǎo)體 因而

7、上述兩種材料的霍爾系數(shù)都很小，不能用來制造霍爾器件。半導(dǎo)體卩高，爾器件較理想的材料，由于電子的遷移率比空穴的遷移率大，所以霍爾器件都采用 由于霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比，因此，薄膜型的霍爾器件的輸出電壓較片狀要高得多。 就霍爾元件而言，其厚度是一定的，所以實用上采用n e d(9) 來表示霍爾元件的靈敏度，Kh稱為霍爾元件靈敏度。單位為 mV/ ( mA- T)或mV/ (mA kGs)(10) 電導(dǎo)率。的測量，?？梢酝ㄟ^圖2-21所示的A、C間的距離為I,樣品的橫截面積為S=bd，流經(jīng)樣品的電流為Is，在零磁場下，若測得 A、C (A '、C)間的電位差為 V(T (Vac),

8、可由下式求得(T(T =ISI/V (T S實驗步驟按圖(2)連接測試儀和實驗儀之間相應(yīng)的Is、Vh和Im各組連線，Is及Im換向開關(guān)投向上方，表明Is及Im均為正值(即Is沿X方向，B沿Z方向)，反之為負(fù)值。Vh、Vt切換開關(guān)投向上方測接線時嚴(yán)禁將測試儀的勵磁電源“Im輸出”誤接到實驗儀的“ Is輸入”或“ Vh、Vt輸出”處,否則一旦通電，霍爾元件即遭損壞！(2)對測試儀進(jìn)行調(diào)零。將測試儀的“Is調(diào)節(jié)”和“ I M調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位，待開機(jī)數(shù)分鐘后若VH顯示不為零，可通過面板左下方小孔的“調(diào)零”電位器實現(xiàn)調(diào)零，即“0.00 ”。(3)測繪Vh Is曲線。將實驗儀的“ VH、Vt”切換開關(guān)投

9、向Vh側(cè)，測試儀的“功能切換”置 Vh。保持Im值不變(取|m= 0.6A)，測繪Vh Is曲線。(4) 測繪Vh Is曲線。實驗儀及測試儀各開關(guān)位置同上。保持Is值不變，(取Is = 3.00mA),測繪vh Is曲線。(5) 測量仏值。將“ M、Vt”切換開關(guān)投向V。側(cè)，測試儀的“功能切換”置在零磁場下，取 Is = 2.00mA,測量V&。注意：Is取值不要過大，以免 Vt太大，毫伏表超量程(此時首位數(shù)碼顯示 為1,后三位數(shù)碼熄滅)。(6) 確定樣品的導(dǎo)電類型。 將實驗儀三組雙刀開關(guān)均投向上方，即Is沿X方向，B沿Z方向, 毫伏表測量電壓為 VAa。取Is = 2mA I m=

10、0.6A，測量Vh大小及極性，判斷樣品導(dǎo)電類型。(7) 求樣品的Rh、n、b和卩值。實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果(1 )測繪Vh- Is曲線，數(shù)據(jù)記錄如下Is(mA)V1 (mVV2 (mVV3 (mVV4 (mVV1+V3-V4VH _(mV)4+ Is 、+B+Is、-B-Is 、-B-Is、+B1.003.21-3.012.80-3.4214.111.504.88-4.474.26-5.0920.362.006.54-5.935.72-6.7526.572.508.17-7.367.15-8.3832.743.009.85-8.838.62-10.0640.684.0013.17-11.7411.52

11、-13.3836.43其中電流范圍：Im= 0.6A ; Is取值：1.00-4.00 mA。圖形如下(橫坐標(biāo)為I s/mA,縱坐標(biāo)為WmV)II7111Vh(2)I M(A)V1(mV)V2 (mVV3 (mVV4 (mV4+ Is、+B+Is、-B-Is 、-B-Is、+B0.3005.19-4.153.94-5.414.67250.4006. 75-5.725.50-6.976. 2350.5008.30-7.287.07-8.537.795繪測Vh- Im曲線，數(shù)據(jù)記錄如下0.6009.87-8.858.64-10.089.360.70011.40-10.4010. 18-11.631

12、0.9020.80012.95-11.9511.73-13.1612.44其中電流范圍：Is = 3.00mA; IM取值：0.300-0.800A 。圖形如下（橫坐標(biāo)為I MmA,縱坐標(biāo)為V/mV）Vh0 H11r11002040.60.81確定樣品的導(dǎo)電類型.將實驗儀三組雙刀均投向上方，即延X方向,B延Z 方向，毫伏表測量電壓為Vaa.取Is=2mA,Im=0.6A,測量Vh大小及極性，判斷樣品導(dǎo)電類型.解：Vh=6.54mA,所以導(dǎo)電類型為P型求樣品的Rh,n,°和卩值.解：由RH =Vd代入數(shù)據(jù)算的IsBRh=5.713 ,由n =| 1代入數(shù)據(jù)算的|R|en=1.09 x

13、1018,由=旦代入VoS數(shù)據(jù)算的（T =21.05S/m,由卩=|Rh| <t代入數(shù)據(jù)的卩=120.26 。實驗結(jié)果分析1、如何精確測量霍爾電壓？本實驗采用什么辦法消除各種附加電壓?答：多次測量取平均值。本實驗通過對稱測量法求的霍爾電壓。2、磁場不恰好與霍爾片的法線一致，對測量效果有什么影響？答：磁場與霍爾片的法線不一致，會造成有效磁場變小，則對應(yīng)測得霍爾系數(shù)變大。3、能否用霍爾片元件測量交變磁場？若能，怎么測量？答：可以，因為霍爾效應(yīng)建立的時間極短，使用交流磁場時，所得的霍爾電壓也是交變的，此時的Im和Vh應(yīng)理解為有效值，上下板交替累積載流子無穩(wěn)定的電勢差。N型半導(dǎo)體還是 P型半導(dǎo)體?4、如何根據(jù)I、B和Vh的方向，判斷所測樣品