霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀

1、霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用（FB510型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀（鐵芯型）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，這個現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍耳于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為 霍耳效應(yīng)。如今霍耳效應(yīng)不但是測定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，而且利用該效應(yīng)制 成的霍耳器件已廣泛用于非電量的電測量、自動控制和信息處理等方面。在工業(yè)生產(chǎn)要求 自動檢測和控制的今天，作為敏感元件之一的霍耳器件，將有更廣泛的應(yīng)用前景。熟悉并 掌握這一具有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)，對日后的工作將是十分必要的?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饣舳?yīng)實(shí)驗(yàn)原理以及有關(guān)霍耳器件對材料要求的知識。學(xué)習(xí)用“對稱測量法”消除副效

2、應(yīng)的影響，測量試樣的Vh -Is和% -Im曲線。 測量電磁鐵空氣隙中的磁場分布。HH【實(shí)驗(yàn)原理】霍耳效應(yīng)：霍耳效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動的帶電粒子在磁場中受洛倫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(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場，即霍耳電場eh。如圖1所示的半導(dǎo)體試 樣，若在x方向通以電流%，在z方向加磁場B，則在y方向即試樣A - A電極兩側(cè) 就開始聚集異號電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場。電場的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。對圖 1 （a）所示的N型試樣，霍耳電場逆y方向，（b）的P型試樣則沿y方向。即有：E （Y） 0 n

3、（P型）載轉(zhuǎn)子為電子（區(qū)b載轉(zhuǎn)子為電子（區(qū)b的載流子為空穴（理）圖1霍卵效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理示言圖顯然，霍耳電場E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e E H與洛侖茲力evB相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到動態(tài)平衡，故有： TOC o 1-5 h z e E = e V B（1）其中Eh為霍耳電場，V是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n ，則：I = n e V b d（2）由（1）、（2）兩式可得：、1 I B 一 I BV = E b = = R 即霍耳電壓Vh（ A, A電極之間的電壓）與Is B乘積成正比與試樣厚度d成反比。 比例系數(shù)rh

4、 = 上 稱為霍耳系數(shù)，它是反映材料霍耳效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。只要測出VV）以及知道Is（A）、B （特斯拉）和d（cm）可按下式計算RH（cm3/C）（4）R = VH d X （4）H I B上式中的104是由于公式中磁感應(yīng)強(qiáng)度B用電磁單位（特斯拉）?；舳禂?shù)Rh與其它參數(shù)間的關(guān)系：根據(jù)Rh可進(jìn)一步確定以下參數(shù)：（1）由Rh的符號（或霍耳電壓的正負(fù)）判斷樣品的導(dǎo)電類型。判別的方法是按圖1所示的IS和B的方向，若測得的VH = VA,A 0,即點(diǎn)A點(diǎn)電位高于點(diǎn)A的電位，則Rh為負(fù)， 樣品屬N型；反之則為P型。H1（2）由Rh求載流子濃度n。即n = r .。應(yīng)該指出，這個關(guān)系式是假定所有載流子

5、H3兀都具有相同的漂移速度得到的，嚴(yán)格一點(diǎn)，如果考慮載流子的速度統(tǒng)計分布，需引入虧的8修正因子（可參閱黃昆、謝希德著半導(dǎo)體物理學(xué)）?；舳?yīng)與材料性能的關(guān)系：根據(jù)上述可知，要得到大的霍耳電壓，關(guān)鍵是要選擇霍耳系數(shù)大（即遷移率高、電阻 率P亦較高）的材料。因IRhI=rp，就金屬導(dǎo)體而言，日和P均很低，而不良導(dǎo)體P雖 高，但日極小，因而上述兩種材料的霍耳系數(shù)都很小，不能用來制造霍耳器件。半導(dǎo)體日 高，P適中，是制造霍耳元件較理想的材料，由于電子的遷移率比空穴遷移率大，所以霍 耳元件多采用N型材料，其次霍耳電壓的大小與材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍耳元 件的輸出電壓較片狀要高得多。就霍耳器件而言

6、，其厚度是一定的，所以實(shí)用上采用 KH = n . e d來表示器件的靈敏度，Kh稱為霍耳靈敏度，單位為mV/（mA T）?；舳妷篤h的測量方法：值得注意的是，在產(chǎn)生霍耳效應(yīng)的同時，因伴隨著各種副效應(yīng)，以致實(shí)驗(yàn)測得的A-A兩極間的電壓并不等于真實(shí)的霍耳電壓Vh值，而是包含著各種副效應(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(jī)理可知，采用電流和磁場換向的對稱測SAA+ B，+1V=VSAA1-B，+1V=VSAA2-B，-1V=VSAA3+ B，-1V=VSAA4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I和B組合

7、的V（ A, A兩點(diǎn)的電位差）即：然后求V、V、V和V的代數(shù)平均值：(6)1234 v = 土 V+V3 - V(6)H4通過上述的測量方法，雖然還不能完全消除所有的副效應(yīng)，但其引入的誤差不大，可以忽 略不計?！緦?shí)驗(yàn)儀器】FB510型霍耳效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀1套。圖型霍爾效麼實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物照片coedft ini n n* U 圖型霍爾效麼實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物照片coedft ini n n* U Ej U u【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】測定勵磁電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系: 測繪VI曲線測量勵磁電流IM與VH的關(guān)系。（測量電磁鐵的磁化曲線），把各相應(yīng)連接線接好，閉 合電源開關(guān)?！綧 = 0 - lOOOnA , Kh =195nV/（m

8、A T）（為了避免學(xué)生接線錯誤，把電磁鐵的勵磁電流錯接到霍爾元件上，儀器設(shè)計時，特地用四 種不同的多芯插座和專用電纜連接，其中繼電器電源用三芯線，霍爾元件工作電流用二芯 線，勵磁電流用兩根香焦插頭連接線，霍爾電壓與半導(dǎo)體體電阻壓降用四芯接線。）調(diào)節(jié) 霍爾傳感器位置，使霍爾傳感器在電磁鐵氣隙最外邊，離氣隙中心約25mm。調(diào)節(jié)霍爾工作電流I = 3.00nA ,S預(yù)熱5分鐘后，測量霍爾傳感器的不等位電壓一般U0注3mV，該電位可以通過調(diào)零旋 鈕消除（這時候，只有采用正、反方向測量取平均值的方法，才可以抵消調(diào)零對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 帶來的附加影響）。然后調(diào)節(jié)霍爾傳感器位置，使傳感器印板上基準(zhǔn)線對準(zhǔn)刻度尺3cm

9、處， 即傳感器處于電磁鐵空氣隙中心。調(diào)勵磁電流為0、100、200、300、400、 1000mA。記錄對應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制電磁鐵磁化曲線。勵磁電流方向、霍爾元件工作電流方向、 霍爾電壓與半導(dǎo)體體電阻壓降分別用三個繼電器進(jìn)行切換。測繪Vh - Is曲線：把霍爾傳感器位置調(diào)節(jié)到磁鐵空氣隙中心，保持Im絕對值不變（取Im =0.600A ）， 改變Is的值，Is取值范圍為土（0.503.00mA）。電流方向的切換用繼電器控制，（七可 用實(shí)驗(yàn)儀面板左邊按鈕改變電流方向，而Is用中間按鈕來改變電流方向）； 將實(shí)驗(yàn)測量值記入表1中。測繪B - X曲線：保持Is、Im值不變（取七=3.00mA，Im = 500

10、nA ），改變X的值，將測量數(shù)據(jù) 記入表3中?！緮?shù)據(jù)與結(jié)果】表1測繪Vh -Im關(guān)系曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Is = 2.00nAIm(A)V (mV) +1B,-IsV (mV) -2B,+isV (mV)-B,-IV (mV)+4B，-IsVh = V1-V2_ V4 (mV)0.1000.2000.3000.4000.5000.600表2測繪Vh -Is關(guān)系曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表、=.6AI (mA)V (mV) +1B,-IsV (mV)-B,+IsV (mV) -B,-IsV (mV)+ 4B,-Ish - +3V)0.501.001.502.002.503.003.504.00表3電磁鐵氣隙沿水平方向的磁場分布數(shù)據(jù)表格(Is= 4.00nA , IM = 500nA)X(mm)Um(mV )正Um(mV)反Um(mV)平均B(mT)-20-18-160101214201用毫米方格紙上畫出VH - IM曲線;用毫米方格紙上畫出Vh七曲線；根據(jù)表格中數(shù)據(jù)