2023年最新的霍爾效應(yīng)實驗報告6篇

1、第 PAGE79 頁 共 NUMPAGES79 頁2023年最新的霍爾效應(yīng)實驗報告6篇一、 實驗?zāi)康模?1、了解霍爾效應(yīng)法測磁感應(yīng)強度word/media/image1.gif的原理和方法； 2、學(xué)會用霍爾元件測量通電螺線管軸向磁場分布的基本方法； 二、 實驗儀器： 霍爾元件測螺線管軸向磁場裝置、多量程電流表2只、電勢差計、滑動變阻器、雙路直流穩(wěn)壓電源、雙刀雙擲開關(guān)、連接導(dǎo)線15根。 三、 實驗原理： 1、霍爾效應(yīng) 霍爾效應(yīng)本質(zhì)上是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖磁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)導(dǎo)致在垂直電流和磁場方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫

2、加電場，即霍爾電場word/media/image2.gif. 如果word/media/image2.gif0，則說明載流子為空穴，即為p型試樣。 顯然霍爾電場word/media/image2.gif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eword/media/image2.gif與洛侖磁力word/media/image4.gif相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就達到動態(tài)平衡，故有： eword/media/image2.gif=-word/media/image4.gif 其中EH為霍爾電場，word/media/image5.gif是載流子在電流方向上的平均速度。若試樣的寬度為

3、b，厚度為d，載流子濃度為n，則 word/media/image6.gif 由上面兩式可得： word/media/image7.gif （3） 即霍爾電壓word/media/image8.gif（上下兩端之間的電壓）與word/media/image9.gif乘積成正比與試樣厚度d成反比。比列系數(shù)word/media/image10.gif稱為霍爾系數(shù)，它是反應(yīng)材料霍爾效應(yīng)強弱的重要參量。只要測出word/media/image8.gif以及知道word/media/image1.gif、B和d可按下式計算word/media/image11.gif: word/media/image1

4、2.gif 2、霍爾系數(shù)word/media/image11.gif與其他參量間的關(guān)系 根據(jù)word/media/image11.gif可進一步確定以下參量： （1）由word/media/image11.gif的符號（或霍爾電壓的正負）判斷樣品的導(dǎo)電類型。判別方法是電壓為負，word/media/image11.gif為負，樣品屬于n型；反之則為p型。 （2）由word/media/image11.gif求載流子濃度n.即word/media/image13.gif這個關(guān)系式是假定所有載流子都具有相同的漂移速度得到的。 （3）結(jié)合電導(dǎo)率的測量，求載流子的遷移率word/media/image

5、14.gif與載流子濃度n以及遷移率word/media/image14.gif之間有如下關(guān)系 word/media/image15.gif 即word/media/image14.gif=word/media/image16.gif,測出word/media/image17.gif值即可求word/media/image14.gif。 3、霍爾效應(yīng)與材料性能的關(guān)系 由上述可知，要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是選擇霍爾系數(shù)大（即遷移率高、電阻率也較高）的材料。因word/media/image18.gif,金屬導(dǎo)體word/media/image14.gif和word/media/image19.g

6、if都很低；而不良導(dǎo)體word/media/image19.gif雖高，但word/media/image14.gif極小，所以這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word/media/image14.gif高，word/media/image19.gif適中，是制造霍爾元件較為理想的材料，由于電子的遷移率比空穴遷移率大，所以霍爾元件多采用n型材料，其次霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍爾元件的輸出電壓較片狀要高得多。就霍爾器件而言，其厚度是一定的，所以實用上采用word/media/image20.gif來表示器件的靈敏度，word/media/image2

7、1.gif稱為霍爾靈敏度，單位為word/media/image22.gif. 4、伴隨霍爾效應(yīng)出現(xiàn)的幾個副效應(yīng)及消除辦法 在研究固體導(dǎo)電的過程中，繼霍爾效應(yīng)之后又相繼發(fā)現(xiàn)了愛廷豪森效應(yīng)、能斯特效應(yīng)、理吉勒杜克效應(yīng)，這些都屬于熱磁效應(yīng)?，F(xiàn)在介紹如下： （1）愛廷豪森效應(yīng)電壓 愛廷豪森發(fā)現(xiàn)，由于載流子速度不同，在磁場的作用下所受的洛侖磁力不相等，快速載流子受力大而能量高，慢速載流子受力小而能量低，因而導(dǎo)致霍爾元件的一端較為另一端溫度高而形成一個溫度梯度場，從而出現(xiàn)一個溫差電壓。此效應(yīng)產(chǎn)生的電壓的大小與電流I、磁感應(yīng)強度B的大小成正比，方向與word/media/image8.gif一致。因此在實

8、驗中無法消去，但電壓值一般較小，由它帶來的誤差約為5%左右。 （2）能斯特效應(yīng)電壓 由于電流輸入輸出兩引線端焊點處的電阻不可能完全相等，因此通電后會產(chǎn)生不同的勢效應(yīng)，使x方向產(chǎn)生溫度梯度。電子將從熱端擴散到冷端，擴散電子在磁場中的作用下在橫向形成電場，從而產(chǎn)生電壓。電壓的正負與磁場B有關(guān)，與電流I無關(guān)。 （3）里紀-勒杜克效應(yīng)電壓 由能斯特效應(yīng)引起的擴散電流中的載流子速度不一樣，類似于愛廷豪森效應(yīng)，也將在y方向產(chǎn)生溫度梯度場，導(dǎo)致產(chǎn)生一附加電壓，電壓的正負與磁感應(yīng)強度B有關(guān)，與電流I無關(guān)。 （4）不等勢電勢差 不等勢電勢差是由于霍爾元件的材料本身不均勻，以及電壓輸出端引線在制作時不可能絕對對稱

9、焊接在霍爾片的兩側(cè)所引起的。這時即使不加磁場也存在這種效應(yīng)。若元件制作不好，有可能有著相同的數(shù)量級，因此不等勢電勢差是影響霍爾電壓的一種最大的副效應(yīng)。電壓的正負只與電流有關(guān)，與磁感應(yīng)強度B無關(guān)。 因為在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時伴隨著各種副效應(yīng)，導(dǎo)致實驗測得的兩極間的電壓并不等于真實的霍爾電壓word/media/image8.gif值，而是包括各種副效應(yīng)所引起的附加電壓，因此必須設(shè)法消除。根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機理可知，采用電流和磁場換向的對稱測量法，基本上能把副效應(yīng)的影響從測量結(jié)果中消除。即在規(guī)定了電流和磁場正反向后，分別測量由下列四組不同方向的word/media/image1.gif和B組合的wor

10、d/media/image23.gif (word/media/image24.gif，A兩側(cè)的電勢差）即 word/media/image25.gif word/media/image26.gif 然后求word/media/image27.gif代數(shù)平均值，得： word/media/image28.gif 通過上述的測量方法，雖然還不能消除所有的副效應(yīng)，但引入的誤差不大，可以忽略不計。 四、 實驗內(nèi)容： 1、掌握儀器性能，連接測試儀與實驗儀之間的各組連線 （1）開、關(guān)機前，測試儀的“word/media/image1.gif調(diào)節(jié)”和“word/media/image29.gif調(diào)節(jié)”旋鈕

11、均置零位（即逆時針旋轉(zhuǎn)到底）； （2）按課本裝置圖連接測試儀和實驗儀之間各組連線。注意：（1）樣品各電機引線與對應(yīng)的雙刀開關(guān)之間的連線已經(jīng)制造好了，不能再動。（2）嚴禁將測試儀的勵磁電流的輸出接口誤接到實驗儀的其他輸入輸出端口，否則一旦通電，霍爾樣品會被立即損毀。本實驗樣品的尺寸為：d=0.5mm,b=4.0mm,l=3.0mm。本實驗霍爾片已處于空隙中間，不能隨意改變y軸方向的高度，以免霍爾片與磁極間摩擦而受損。 （3）接通電源，預(yù)熱數(shù)分鐘，電流表顯示“.000”（當(dāng)按下“測量選擇”鍵時）或“0.00”（放開“測量選擇”鍵時）。 （4）置“測量選擇”與word/media/image1.gi

12、f檔，電壓表所示的值即雖“word/media/image1.gif調(diào)節(jié)”旋鈕順時針轉(zhuǎn)動而增大，其變化范圍為0-10mA時電壓表word/media/image8.gif所示讀數(shù)為“不等勢”電壓值，它隨word/media/image1.gif增大而增大，word/media/image1.gif換向，word/media/image8.gif極性改號。取word/media/image1.gif=2mA. (5)置“測量選擇”與word/media/image29.gif擋（按鍵），順時針轉(zhuǎn)動“word/media/image29.gif調(diào)節(jié)”旋鈕，電流表變化范圍為0-1A此時word/me

13、dia/image8.gif值隨word/media/image29.gif增大而增大，word/media/image29.gif換向，word/media/image8.gif極性改號。至此，應(yīng)將“word/media/image29.gif調(diào)節(jié)”旋鈕置零位（即逆時針旋轉(zhuǎn)到底）。 (6)放開測量選擇鍵，再測word/media/image1.gif，調(diào)節(jié)word/media/image1.gif2mA,然后將“word/media/image8.gif，word/media/image30.gif輸出”切換開關(guān)撥向word/media/image30.gif一側(cè)，測量word/media/

14、image30.gif電壓；word/media/image1.gif換向，word/media/image30.gif也改號。說明霍爾樣品的各電極工作正常，可進行測量。將“word/media/image8.gif，word/media/image30.gif輸出”切換開關(guān)恢復(fù)word/media/image8.gif一側(cè)。 2、測繪word/media/image8.gif-word/media/image1.gif曲線 將測試儀的“功能轉(zhuǎn)換”置word/media/image8.gif，word/media/image1.gif和word/media/image29.gif換向開關(guān)擲向上

15、方，表明word/media/image1.gif和word/media/image29.gif均為正值。反之則為負。保持word/media/image29.gif=0.600A，改變word/media/image1.gif的值，word/media/image1.gif取值范圍為1.00-4.00mA.將實驗測量值記錄表格。 3、測繪word/media/image8.gif-word/media/image29.gif曲線 保持word/media/image1.gif=3.00mA,改變word/media/image29.gif的值，word/media/image29.gif取值

16、范圍為0.300-0.800A.將測量數(shù)據(jù)記入表格。 4、測量word/media/image30.gif值 將“word/media/image8.gif，word/media/image30.gif輸出”撥向word/media/image30.gif側(cè)，“功能轉(zhuǎn)換”置word/media/image30.gif.在零磁場下（word/media/image29.gif=0），取word/media/image1.gif=2.00mA,測量word/media/image30.gif。 5、確定樣品導(dǎo)電類型 將實驗儀三組雙刀開關(guān)擲向上方，取word/media/image1.gif=2.0

17、0mA，word/media/image29.gif =0.600A.測量word/media/image23.gif大小及極性，由此判斷樣品導(dǎo)電類型。 6、求樣品的word/media/image11.gif、n、word/media/image17.gif和word/media/image14.gif值 7、測單邊水平方向磁場分布（word/media/image1.gif=2.00mA，word/media/image29.gif =0.600A） 五、 實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理： （1）數(shù)據(jù)記錄參數(shù)表。 表1：繪制word/media/image31.gif實驗曲線數(shù)據(jù)記錄表（word/

18、media/image32.gif） 表2：繪制word/media/image40.gif實驗曲線數(shù)據(jù)記錄表（word/media/image41.gif） （2）畫出word/media/image31.gif曲線和word/media/image40.gif曲線。 （3）記下樣品的相關(guān)參量word/media/image54.gif值，根據(jù)在零磁場下，word/media/image55.gif使測得的word/media/image56.gif（即word/media/image57.gif）值計算電導(dǎo)率word/media/image58.gif。 其中已知：word/media/i

19、mage59.gif 測得word/media/image60.gif 則word/media/image61.gif （4）確定樣品的導(dǎo)電類型（p型還是n型）。 由霍爾電壓的正負判斷為n型 （5）從測試儀電磁鐵的線包上查出B的大小與word/media/image62.gif的關(guān)系，并求word/media/image63.gif（word/media/image32.gif, word/media/image55.gif）、n和word/media/image64.gif值。 B的大小與word/media/image62.gif的關(guān)系為word/media/image65.gif. wo

20、rd/media/image32.gif, word/media/image55.gif時word/media/image66.gif 得word/media/image67.gif word/media/image68.gif word/media/image69.gif （6）測單邊水平方向磁場分布（測試條件word/media/image32.gif, word/media/image55.gif），測量點不得少于8點（不等步長），以磁心中間為相對零點位置，作word/media/image70.gif圖，另半邊作圖時對稱補足。 霍爾效應(yīng)實驗報告(2) 霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用實驗報告 【摘要】

21、 本實驗通過了解霍爾原理及霍爾元器件的使用，測繪并測量霍爾系數(shù)、電導(dǎo)率。試驗在測量過程中，由于各種副效應(yīng)會引起各種誤差。在此做以分析和修正，采用對稱測量法以消除副效應(yīng)。經(jīng)過修正后的實驗，更大程度地降低了實驗誤差，使K的測量更加接近真實值。 【關(guān)鍵詞】 霍爾片 載流子密度 霍爾系數(shù) 霍爾電壓 mathematica 【引言】 霍爾效應(yīng)是霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，這一效應(yīng)在科學(xué)實驗和工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用?；魻栂禂?shù)的準確測量在應(yīng)用中有著十分重要的意義。由于霍爾系數(shù)在測量過程中伴隨著各種副效應(yīng)，使得霍爾系數(shù)在測量過程中變得比較困難。因此我們在測量過程中采取了“對稱測量法”消除副效應(yīng)。 【正文】 一、

22、實驗原理 1霍爾效應(yīng)：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)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場，即霍爾電場。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，試樣中載流子將受洛侖茲力： 其中e為載流子電量， 為載流子在電流方向上的平均定向漂移速率，B為磁感應(yīng)強度。無論載流子是正電荷還是負電荷，F(xiàn)g的方向均沿Y方向，在此力的作用下，載流子發(fā)生便移，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在試樣A、A兩側(cè)產(chǎn)生一個電位差VH，形成相應(yīng)的附加電場

23、E霍爾電場，相應(yīng)的電壓VH稱為霍爾電壓，電極A、A稱為霍爾電極。 （a） （b） 圖(1) 原理圖 顯然，該電場是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，試樣中載流子將受一個與Fg方向相反的橫向電場力： 霍爾效應(yīng)實驗報告(3) 霍爾效應(yīng)與應(yīng)用設(shè)計 摘要：隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的測量已成為研究半導(dǎo)體材料的主要方法之一。本文主要通過實驗測量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率可以判斷材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。 關(guān)鍵詞：霍爾系數(shù)，電導(dǎo)率，載流子濃度。 1引言 【實驗背景】 置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加的橫向電場，稱為霍爾

24、效應(yīng)。 如今，霍爾效應(yīng)不但是測定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用該效應(yīng)制成的霍爾器件，由于結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬（高達10GHz）、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛用于非電量測量、自動控制和信息處理等方面。 【實驗?zāi)康摹?1 通過實驗掌握霍爾效應(yīng)基本原理，了解霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)； 2 學(xué)會測量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)、電導(dǎo)率、遷移率等參數(shù)的實驗方法和技術(shù)； 3 學(xué)會用“對稱測量法”消除副效應(yīng)所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差的實驗方法。 4 學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測量磁感應(yīng)強度B及磁場分布。 二、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)處理 【實驗原理】 一、霍爾效應(yīng)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

25、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)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場。如圖1所示。當(dāng)載流子所受的橫電場力與洛侖茲力相等時，樣品兩側(cè)電荷的積累就達到平衡，故有 72922d44302167b9b57cd647a547c73e.png 其中EH稱為霍爾電場，ed9e8ce1ae5cbde2c6103e25b886f2e3.png是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，則 d962a68f09168fc25b32c4770ef342a9.png 4e78ba447798c14e42633

26、6ffd458583f.png 比例系數(shù)RH=1/ne稱為霍爾系數(shù)。 1 由RH 的符號（或霍爾電壓的正負）判斷樣品的導(dǎo)電類型。 2 由RH求載流子濃度n，即 3da5d4030987cb9e73f049c4b387b845.png （4） 3 結(jié)合電導(dǎo)率的測量，求載流子的遷移率a1155692e3f69913320234f980c7eaf1.png。 電導(dǎo)率與載流子濃度n以及遷移率a1155692e3f69913320234f980c7eaf1.png之間有如下關(guān)系 a4f48fb5ac51c027ccc961ba0201ecb8.png （5） 即2d2e7985712aa5569b751

27、aeb898f8ff0.png，測出3122c41ebe889f745cb9bbe1c92165c3.png值即可求a1155692e3f69913320234f980c7eaf1.png。 電導(dǎo)率3122c41ebe889f745cb9bbe1c92165c3.png可以通過在零磁場下，測量B、C電極間的電位差為VBC，由下式求得3122c41ebe889f745cb9bbe1c92165c3.png。 ff52ccef376239fe2ac291f5235c2686.png （6） 二、實驗中的副效應(yīng)及其消除方法： 在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時，因伴隨著多種副效應(yīng)，以致實驗測得的霍爾電極A、A之間

28、的電壓為VH與各副效應(yīng)電壓的疊加值，因此必須設(shè)法消除。 （1）不等勢電壓降V0 如圖2所示，由于測量霍爾電壓的A、A兩電極不可能絕對對稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，位置不在一個理想的等勢面上，Vo可以通過改變Is的方向予以消除。 （2）愛廷豪森效應(yīng)熱電效應(yīng)引起的附加電壓VE 構(gòu)成電流的載流子速度不同，又因速度大的載流子的能量大,所以速度大的粒子聚集的一側(cè)溫度高于另一側(cè)。電極和半導(dǎo)體之間形成溫差電偶,這一溫差產(chǎn)生溫差電動勢VE，如果采用交流電，則由于交流變化快使得愛延好森效應(yīng)來不及建立，可以減小測量誤差。 （3）能斯托效應(yīng)熱磁效應(yīng)直接引起的附加電壓VN 在半導(dǎo)體試樣上引出測量電極時,不可能做到接觸電阻完

29、全相同。當(dāng)工作電流Is通過不同接觸電阻時會產(chǎn)生不同的焦耳熱,并因溫差產(chǎn)生一個溫差電動勢,結(jié)果在Y方向產(chǎn)生附加電勢差VN，這就是能斯脫效應(yīng)。而VN的符號只與B的方向有關(guān)，與Is的方向無關(guān)，因此可通過改變B的方向予以消除。 （4）里紀勒杜克效應(yīng)熱磁效應(yīng)產(chǎn)生的溫差引起的附加電壓VRL 因載流子的速度統(tǒng)計分布，由能斯脫效應(yīng)產(chǎn)生的X方向熱擴散電熱電流也有愛廷豪森效應(yīng)，在Z的方向磁場B作用下，將在Y方向產(chǎn)生溫度梯度6cbd238ef601fcd541d1edcb8db965ec.png，此溫差在Y方向產(chǎn)生附加溫差電動勢VRL。VRL的符號只與B的方向有關(guān)，亦能消除。 當(dāng)（+IS、+B）時 V1 = VH

30、+VO +VN +VRL +VE 當(dāng)（+IS、-B）時 V2 =-VH +VO -VN -VRL -VE 當(dāng)（-IS、-B） 時 V3 =VH -VO -VN -VRL +VE 當(dāng)（-IS、+B）時 V4 =-VH -VO +VN +VRL -VE 求以上四組數(shù)據(jù)V1、V2、V3和V4可得 word/media/image16_1.png（7） 由于VE符號與IS和B兩者方向關(guān)系和VH是相同的，故無法消除，但在非大電流，非強磁場下，VH VE，因此VE可略而不計，所以霍爾電壓為： word/media/image17_1.png （8） 此方法稱為“對稱測量法”。 三、利用霍爾效應(yīng)原理測量磁場

31、 利用霍爾效應(yīng)測量磁場是霍爾效應(yīng)原理的典型應(yīng)用。若已知材料的霍爾系數(shù)RH，根據(jù)（3）式，通過測量霍爾電壓VH，即可測得磁場。其關(guān)系式是： 5903006c0d198979975813e958a69735.png （9） 四、長直通電螺線管軸線上磁感應(yīng)強度 根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，對于長度為2L,匝數(shù)為N,半徑為R的螺線管離開中心點x處的磁感應(yīng)強度為 word/media/image19_1.png （10） word/media/image20_1.png其中N/A2，為真空磁導(dǎo)率；0955e3fc7af4bf8ff3f8b79d4f616561.png，為單位長度的匝數(shù)，對于“無限長”螺線管,

32、30251823e9b6c45af75d073ab09653c3.png，所以 e4a2b76830087148d089d27050fa2bed.png 【實驗內(nèi)容】 1. 恒定磁場，保持IM不變（可取IM=0.50A），測繪VHIS曲線（IS取0.50，1.00,1.50，4.00mA） 2. 恒定工作電流，保持IS不變（取IS=3.00mA），測繪VHIM曲線（IM取0.100，0.200，0.500A） 3. 在零磁場下（即IM=0），測量VBC（即25b7177d323f8adbc17663d0800919ab.png）。（IS取0.10，0.20，0.301.00mA） 4. 根據(jù)實

33、驗所測得的霍爾樣品的霍爾系數(shù)RH（或霍爾元件的靈敏度KH），測量亥姆霍茲線圈單邊水平方向磁場分布（測試條件IS=3.00mA，IM=0.500A），測量點不得少于八點（不等步長），以線圈中心連線中點為相對零點位置，作BX分布曲線，另外半邊在作圖時可按對稱原理補足。 5.測量通電螺線管軸向磁場分布。用長直通電螺線管軸線上磁感應(yīng)強度的理論計算值作為標(biāo)準值來校準或測定霍爾傳感器的靈敏度，（霍爾傳感器的靈敏度KH值見儀器標(biāo)注） 調(diào)節(jié)IM為500mA，調(diào)節(jié)Is為4.00mA，測量螺線管拉桿上刻度尺為X=0cm開始至X=28cm結(jié)束，且移動步長為1cm。 【實驗結(jié)果的分析和結(jié)論】 VHIS實驗曲線數(shù)據(jù)記錄

34、 IM=0.500A VHIM實驗曲線數(shù)據(jù)記錄 IS=3.00mA word/media/image25_1.png VBC測量數(shù)據(jù) IM=0mA word/media/image26_1.png d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e.png 雙線圈磁場分布數(shù)據(jù) IS=3.00mA IM=0.500A word/media/image28_1.png 通電螺線管磁場分布數(shù)據(jù) IS=3.00mA IM=0.500A 【實驗遇到的問題及解決的方法】 無法一開始就知道通電螺線管的中心處處于哪個位置。需要自己移動霍爾片觀測哪個位置的霍爾電壓最大，來確定通電螺線管的中心位置。

35、 三、實驗小結(jié) 【體會或收獲】 了解了霍爾效應(yīng)測量磁場的方法，知道了在測量霍爾靈敏度時，有愛廷豪森效應(yīng)等副效應(yīng)及消除辦法，同時親自繪制了磁場分布圖。 【實驗建議】 在利用霍爾效應(yīng)測量磁場時，只配備了單雙線圈，可以多配備其他線圈，豐富同學(xué)們對不同線圈磁場分布的認識。 4、參考文獻 錢鋒，潘人培. 大學(xué)物理實驗（修訂版） 高等教育出版社，2023. 191-202 熊永紅等主編，大學(xué)物理實驗，華中科技大學(xué)出版社，2023年 H.F.邁納斯等主編，普通物理實驗，科學(xué)出版社，1987年 word/media/image29.gif Welcome ! 歡迎您的下載， 資料僅供參考！ 霍爾效應(yīng)實驗報告(

36、4) 大 學(xué) 本(專)科實驗報告 年 月 日 （實驗報告目錄） 實驗名稱 一、實驗?zāi)康暮鸵?二、實驗原理 三、主要實驗儀器 四、實驗內(nèi)容及實驗數(shù)據(jù)記錄 五、實驗數(shù)據(jù)處理與分析 六、質(zhì)疑、建議 霍爾效應(yīng)實驗 一實驗?zāi)康暮鸵螅?1、了解霍爾效應(yīng)原理及測量霍爾元件有關(guān)參數(shù). 2、測繪霍爾元件的69ad7d5b9f800e56cf88629f294f9649.png，ff3c3bc29d0dc01e874d1761a8e17e94.png曲線了解霍爾電勢差83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png與霍爾元件控制（工作）電流2ffee9504446816353da3c9

37、bddfb65de.png、勵磁電流a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png之間的關(guān)系。 3、學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測量磁感應(yīng)強度B及磁場分布。 4、判斷霍爾元件載流子的類型，并計算其濃度和遷移率。 5、學(xué)習(xí)用“對稱交換測量法”消除負效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。 二實驗原理： 1、霍爾效應(yīng) word/media/image6.gif霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)，從本質(zhì)上講，霍爾效應(yīng)是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力的作用而引起的偏轉(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)生正負電荷在不同側(cè)的聚積，從而

38、形成附加的橫向電場。 如右圖（1）所示，磁場B位于Z的正向，與之垂直的半導(dǎo)體薄片上沿X正向通以電流2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png（稱為控制電流或工作電流），假設(shè)載流子為電子（N型半導(dǎo)體材料），它沿著與電流2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png相反的X負向運動。 由于洛倫茲力67377896fa3ec58ecd3e5413f2275dff.png的作用，電子即向圖中虛線箭頭所指的位于y軸負方向的B側(cè)偏轉(zhuǎn)，并使B側(cè)形成電子積累，而相對的A側(cè)形成正電荷積累。與此同時運動的電子還受到由于兩種積累的異種電荷形成的反向電場力6e9

39、de2984564f4963e52e4736a0d399a.png的作用。隨著電荷積累量的增加，6e9de2984564f4963e52e4736a0d399a.png增大，當(dāng)兩力大小相等（方向相反）時，67377896fa3ec58ecd3e5413f2275dff.png=-6e9de2984564f4963e52e4736a0d399a.png，則電子積累便達到動態(tài)平衡。這時在A、B兩端面之間建立的電場稱為霍爾電場be3ae826bd35a8db761ab7daee9f585a.png，相應(yīng)的電勢差稱為霍爾電壓83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png。 設(shè)

40、電子按均一速度1d43cf3e9cc8956a19279855442a7082.png向圖示的X負方向運動，在磁場B作用下，所受洛倫茲力為67377896fa3ec58ecd3e5413f2275dff.png=-e1d43cf3e9cc8956a19279855442a7082.pngB 式中e為電子電量，1d43cf3e9cc8956a19279855442a7082.png為電子漂移平均速度，B為磁感應(yīng)強度。 同時，電場作用于電子的力為 8f28618a7f7532b84cf97765e0165dc0.png 式中be3ae826bd35a8db761ab7daee9f585a.png為

41、霍爾電場強度，83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png為霍爾電壓，2db95e8e1a9267b7a1188556b2023b33.png為霍爾元件寬度 當(dāng)達到動態(tài)平衡時，2da5bb08e527b365e2147501e4c7f85b.png dd90dc8ecb86fac39a4ba41e66795bcd.png （1） 設(shè)霍爾元件寬度為2db95e8e1a9267b7a1188556b2023b33.png，厚度為d，載流子濃度為n，則霍爾元件的控制（工作）電流為 b3fb247525f2b501436422abc11b11fd.png （2） 由（1），

42、（2）兩式可得 2ddbf3d60d2d521749ccf2df60d63e59.png （3） 即霍爾電壓83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png（A、B間電壓）與Is、B的乘積成正比，與霍爾元件的厚度成反比，比例系數(shù)a53bccf2a490e5a5802d7531c1afa8d9.png稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強弱的重要參數(shù)，根據(jù)材料的電導(dǎo)率=ne的關(guān)系，還可以得到： 862341f402e1a5f52b3781929ad56638.png （4） 式中1af91fb19f8f622aa9ec8998986a6bf9.png為材料的電阻率、為載流子

43、的遷移率，即 單位電場下載流子的運動速度，一般電子遷移率大于空穴遷移率，因此制作霍爾元件時大多采用N型半導(dǎo)體材料。 當(dāng)霍爾元件的材料和厚度確定時，設(shè)04b4743ac6830a19bea7bae832eef9d0.png （5） 將式（5）代入式（3）中得 eb252a40bf7f2f2c1d19e2e6365c6857.png （6） 式中afe041a2b6013fde537f4dbf80dba399.png稱為元件的靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流下的霍爾電勢大小，其單位是369af215d4d4b3b60d00488488dca5f0.png，一般要求afe041a

44、2b6013fde537f4dbf80dba399.png愈大愈好。 若需測量霍爾元件中載流子遷移率,則有 8b164c5e88f2e569933d7fbe69c69a00.png (7) 將(2)式、(5)式、(7)式聯(lián)立求得 e92a028cee070102b76e4d35779d656a.png （8） 其中VI為垂直于IS方向的霍爾元件兩側(cè)面之間的電勢差，EI為由VI產(chǎn)生的電場強度，L、l分別為霍爾元件長度和寬度。 由于金屬的電子濃度n很高，所以它的934087bbe17adae2b5ac9639ead5f0f7.png或afe041a2b6013fde537f4dbf80dba399

45、.png都不大，因此不適宜作霍爾元件。此外元件厚度d愈薄，afe041a2b6013fde537f4dbf80dba399.png愈高，所以制作時，往往采用減少d的辦法來增加靈敏度，但不能認為d愈薄愈好，因為此時元件的輸入和輸出電阻將會增加，這對鍺元件是不希望的。 word/media/image32.gif應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)磁感應(yīng)強度B和元件平面法線成一角度時（如圖2），作用在元件上的有效磁場是其法線方向上的分量8122474627e7f7d254c3d3c5295529b6.png，此時 b717d16ba086090b98143c0db6f6f238.png (9) 所以一般在使用時應(yīng)調(diào)整元件

46、兩平面方位，使83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png達到最大，即=0，83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png=e35dbdd9d7702d912396b2f2cc54522c.png 由式（9）可知，當(dāng)控制（工作）電流2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png或磁感應(yīng)強度B，兩者之一改變方向時，霍爾word/media/image39.gif電壓83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png的方向隨之改變；若兩者方向同時改變，則霍爾電壓83ba1b8635f5dc4674

47、0599986e5c7fea.png極性不變。 霍爾元件測量磁場的基本電路如圖3，將霍爾元件置于待測磁場的相應(yīng)位置，并使元件平面與磁感應(yīng)強度B垂直，在其控制端輸入恒定的工作電流2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png，霍爾元件的霍爾電壓輸出端接毫伏表，測量霍爾電勢83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png的值。 三主要實驗儀器： 1、 ZKY-HS霍爾效應(yīng)實驗儀 包括電磁鐵、二維移動標(biāo)尺、三個換向閘刀開關(guān)、霍爾元件及引線。 2、 KY-HC霍爾效應(yīng)測試儀 四實驗內(nèi)容： 1、研究霍爾效應(yīng)及霍爾元件特性 word/media/image

48、40.gif測量霍爾元件靈敏度KH，計算載流子濃度n（選做）。 word/media/image41.gif測定霍爾元件的載流子遷移率。 word/media/image42.gif判定霍爾元件半導(dǎo)體類型（P型或N型）或者反推磁感應(yīng)強度B的方向。 word/media/image43.gif 研究83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png與勵磁電流a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png、工作（控制）電流IS之間的關(guān)系。 2、測量電磁鐵氣隙中磁感應(yīng)強度B的大小以及分布 word/media/image40.gif 測量一定IM條件下

49、電磁鐵氣隙中心的磁感應(yīng)強度B的大小。 word/media/image41.gif測量電磁鐵氣隙中磁感應(yīng)強度B的分布。 五實驗步驟與實驗數(shù)據(jù)記錄： 1、儀器的連接與預(yù)熱 將測試儀按實驗指導(dǎo)說明書提供方法連接好，接通電源。 2、研究霍爾效應(yīng)與霍爾元件特性 word/media/image40.gif測量霍爾元件靈敏度KH，計算載流子濃度n。（可選做）。 a. 調(diào)節(jié)勵磁電流IM為0.8A，使用特斯拉計測量此時氣隙中心磁感應(yīng)強度B的大小。 b. 移動二維標(biāo)尺，使霍爾元件處于氣隙中心位置。 c. 調(diào)節(jié)2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png=2.00、10.00mA（數(shù)

50、據(jù)采集間隔1.00mA），記錄對應(yīng)的霍爾電壓VH填入 表（1），描繪ISVH關(guān)系曲線，求得斜率K1(K1=VH/IS)。 d. 據(jù)式（6）可求得KH，據(jù)式（5）可計算載流子濃度n。 word/media/image41.gif測定霍爾元件的載流子遷移率。 a. 調(diào)節(jié)2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png=2.00、10.00mA（間隔為1.00mA），記錄對應(yīng)的輸入電壓降VI填入表4，描繪ISVI關(guān)系曲線，求得斜率K2（K2=IS/VI）。 b. 若已知KH、L、l，據(jù)（8）式可以求得載流子遷移率。 c. 判定霍爾元件半導(dǎo)體類型（P型或N型）或者反推磁感應(yīng)強度

51、B的方向 根據(jù)電磁鐵線包繞向及勵磁電流IM的流向，可以判定氣隙中磁感應(yīng)強度B的方向。 根據(jù)換向閘刀開關(guān)接線以及霍爾測試儀IS輸出端引線，可以判定IS在霍爾元件中的流向。 根據(jù)換向閘刀開關(guān)接線以及霍爾測試儀VH輸入端引線，可以得出VH的正負與霍爾片上正負電荷積累的對應(yīng)關(guān)系 d. 由B的方向、IS流向以及VH的正負并結(jié)合霍爾片的引腳位置可以判定霍爾元件半導(dǎo)體的類型（P型或N型）。反之，若已知IS流向、VH的正負以及霍爾元件半導(dǎo)體的類型，可以判定磁感應(yīng)強度B的方向。 word/media/image42.gif測量霍爾電壓83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png與勵磁

52、電流a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png的關(guān)系 霍爾元件仍位于氣隙中心，調(diào)節(jié)2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png=10.00mA，調(diào)節(jié)a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png=100、2001000mA（間隔為100mA），分別測量霍爾電壓83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png值填入表（2），并繪出a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png-83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png曲線，驗證線性關(guān)

53、系的范圍，分析當(dāng)a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png達到一定值以后，a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png-83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png直線斜率變化的原因。 3、測量電磁鐵氣隙中磁感應(yīng)強度B的大小及分布情況 word/media/image40.gif測量電磁鐵氣隙中磁感應(yīng)強度B的大小 a. 調(diào)節(jié)勵磁電流IM為01000mA范圍內(nèi)的某一數(shù)值。 b. 移動二維標(biāo)尺，使霍爾元件處于氣隙中心位置。 c. 調(diào)節(jié)2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png=2.0

54、0、10.00mA（數(shù)據(jù)采集間隔1.00mA），記錄對應(yīng)的霍爾電壓VH填入表（1），描繪ISVH關(guān)系曲線，求得斜率K1(K1=VH/IS)。 d. 將給定的霍爾靈敏度KH及斜率K1代入式（6）可求得磁感應(yīng)強度B的大小。 （若實驗室配備有特斯拉計，可以實測氣隙中心B的大小，與計算的B值比較。） word/media/image41.gif考察氣隙中磁感應(yīng)強度B的分布情況 a. 將霍爾元件置于電磁鐵氣隙中心，調(diào)節(jié)a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png=1000mA，2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png=10.00mA，測量相應(yīng)的

55、83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png。 b. 將霍爾元件從中心向邊緣移動每隔5mm選一個點測出相應(yīng)的83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png，填入表3。 c. 由以上所測83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png值，由式（6）計算出各點的磁感應(yīng)強度，并繪出B-X圖，顯示出氣隙內(nèi)B的分布狀態(tài)。 為了消除附加電勢差引起霍爾電勢測量的系統(tǒng)誤差，一般按a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png，2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png的四種組合

56、測量求其絕對值的平均值。 五實驗數(shù)據(jù)處理與分析： 1、測量霍爾元件靈敏度KH，計算載流子濃度n。 表1 VH-IS a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png=800mA word/media/image48.gif根據(jù)上表，描繪出ISVH關(guān)系曲線如右圖。 求得斜率K1，K1=9.9 據(jù)式（6）可求出K1， 本例中取銘牌上標(biāo)注的KH=47,取實驗指導(dǎo)說明書第3頁上的d=2m 據(jù)式（5）可計算載流子濃度n 。 2、測量電磁鐵氣隙中磁感應(yīng)強度B的大小 取a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png=800mA ，則可由B=K1/KH求出磁感

57、應(yīng)強度B的大小 3、 考察氣隙中磁感應(yīng)強度B的分布情況 表3 VH-X IM=1000mA Is=10.00mA 由以上所測83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png值，由式（6）計算出各點的磁感應(yīng)強度如下表： word/media/image51.gif根據(jù)上表，描繪出B-X關(guān)系曲線如右圖，可看出氣隙內(nèi)B的分布狀態(tài)。 4、測定霍爾元件的載流子遷移率 表4 IS-VI word/media/image52.gif根據(jù)上表，描繪出ISVI關(guān)系曲線如右圖。 求得斜率K2 已知KH、L、l（從實驗指導(dǎo)說明書上可查出），據(jù)（8）式可以求得載流子遷移率。 。 5、測量霍爾電

58、壓83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png與勵磁電流a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png的關(guān)系 表2 VH-IS Is=10.00mA word/media/image53.gif根據(jù)上表，描繪出a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png-83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png關(guān)系曲線如右圖, 由此圖可驗證線性關(guān)系的范圍。 分析當(dāng)a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png達到一定值以后，a049d3a2fc891ba394aef9fd

59、2a8e4d5a.png-83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png直線斜率變化的原因。 。 6、實驗系統(tǒng)誤差分析 測量霍爾電勢VH時，不可避免地會產(chǎn)生一些副效應(yīng)，由此而產(chǎn)生的附加電勢疊加在霍爾電勢上，形成測量系統(tǒng)誤差，這些副效應(yīng)有： （1）不等位電勢e40444a94ae90f2ae253721b8132f977.png word/media/image55.gif 由于制作時，兩個霍爾電勢極不可能絕對對稱地焊在霍爾片兩側(cè)（圖5a）、霍爾片電阻率不均勻、控制電流極的端面接觸不良（圖5b）都可能造成A、B兩極不處在同一等位面上，此時雖未加磁場，但A、B間存在電勢差

60、e40444a94ae90f2ae253721b8132f977.png，此稱不等位電勢，55af7f82b874de5bfa3c3f7997cbfd32.png，V是兩等位面間的電阻，由此可見，在V確定的情況下，e40444a94ae90f2ae253721b8132f977.png與2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png的大小成正比，且其正負隨2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png的方向而改變。 （2）愛廷豪森效應(yīng) 當(dāng)元件的X方向通以工作電流2ffee9504446816353da3c9bddfb65de.png，Z方向加