霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用

1、霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用第1頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四【實驗?zāi)康摹?、研究霍爾效應(yīng)的基本特性（1）了解霍爾效應(yīng)實驗原理以及有關(guān)霍爾器件對材料要求的知識；（2）測繪霍爾元件的 和 曲線；（3）確定霍爾元件的導(dǎo)電類型，測量其霍爾系數(shù)、載流子濃度以及遷移率。2、應(yīng)用霍爾效應(yīng)測量磁場（選做）第2頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四【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（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 。（a

2、） （b）圖1 霍爾效應(yīng)實驗原理示意圖（a）載流子為電子（N型）；（b）載流子為空穴（P型） 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 與洛侖茲力 相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就達到動態(tài)平衡，故有 （1） 設(shè)試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n ，則 （2）第3頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四由（1）、（2）兩式可得： （3）比例系數(shù) 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)。只要測出 （伏）以及知道 （安）、（高斯）和 （厘米）可按下式計算 （厘米3庫侖）： （4）2霍爾系數(shù)與其它參數(shù)間的關(guān)系 根據(jù) 可進一步確定以下參數(shù)： （1）由 的符號（

3、或霍爾電壓的正負）判斷樣品的導(dǎo)電類型。判別的方法是按圖1所示的 和 的方向，若測得的 即 點電位高于 點的電位，則 為負，樣品屬N型；反之則為P型。第4頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四（）由RH求載流子濃度n。即 。應(yīng)該指出，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，嚴格一點，如果考慮載流子的速度統(tǒng)計分布，需引入 的修正因子（可參閱黃昆、謝希德著半導(dǎo)體物理學(xué)）。（3）結(jié)合電導(dǎo)率的測量，求載流子的遷移率 。電導(dǎo)率 與載流子濃度n以及遷移率 之間有如下關(guān)系： （5）即 ，測出 值即可求 。3霍爾效應(yīng)與材料性能的關(guān)系 根據(jù)上述可知，要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是要選擇霍

4、爾系數(shù)大（即遷移率高、電阻率亦較高）的材料。因 ，就金屬導(dǎo)體而言，遷移率和電阻率均很低，而不良導(dǎo)體電阻率雖高，但遷移率極小，因而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)體遷移率高，電阻率適中，是制造霍爾元件較理想的材料，由于電子的遷移率比空穴遷移率大，所于霍爾元件多采用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。第5頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四4實驗方法（1）霍爾電壓 的測量方法 值得注意的是，在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時，因伴隨著各種副效應(yīng)，以致實驗測得的 、 兩極間的電壓并不等于真實的霍爾電壓 值，而是包含著

5、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、反方向后，分別測量由下列四組不同方向的 和 組合的 （ 、 兩點的電位差）即： 然后求 、 、 和 的代數(shù)平均值。 （6） 通過上述的測量方法，雖然還不能消除所有的副效應(yīng)，但其引入的誤差不大，可以略而不計。 第6頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四（2）電導(dǎo)率 的測量第7頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四【實驗儀器】 圖2 霍爾效應(yīng)實驗儀第8頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星

6、期四圖3 霍爾效應(yīng)實驗儀示意圖第9頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四【實驗內(nèi)容】 第10頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四注意事項 第11頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四【思考題】 第12頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四第13頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四第14頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四【數(shù)據(jù)處理】 第15頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四第16頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四第17頁，共20頁，2022年，5月20日，2點0分