霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)課件

霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1ppt課件霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1ppt課件實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理以及有關(guān)霍爾器件對(duì)材料要求的知識(shí)；2、研究霍爾電壓與工作電流及霍爾電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系；（即，）3、掌握用作圖法求霍爾系數(shù)的方法，由符號(hào)或霍爾電壓的正負(fù)判斷樣品的導(dǎo)電類型,并求出載流子濃度;4、學(xué)習(xí)一種消除系統(tǒng)誤差的方法——對(duì)稱測(cè)量法。2ppt課件實(shí)驗(yàn)?zāi)康?ppt課件實(shí)驗(yàn)原理

1.霍爾效應(yīng)

如果將一塊金屬或半導(dǎo)體材料垂直放在磁場(chǎng)中，在垂直于磁場(chǎng)方向上通以電流,則在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上導(dǎo)體的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

這個(gè)效應(yīng)是1879年美國(guó)霍普金斯大學(xué)的研究生霍爾在研究金屬導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種電磁現(xiàn)象，后來(lái)被稱為霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)不僅是測(cè)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，利用霍爾效應(yīng)制成的器件已廣泛地用于非電量的測(cè)量，如溫度、壓力等等，還有自動(dòng)化控制和信息處理等領(lǐng)域。

霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)是由于導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）中的載流子（形成電流的的運(yùn)動(dòng)電荷）在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用而發(fā)生的橫向漂移的結(jié)果。3ppt課件實(shí)驗(yàn)原理

1.霍爾效應(yīng)

如果將一塊金屬或半導(dǎo)體

若用一塊如圖所示的N型半導(dǎo)體試樣（導(dǎo)電的載流子是電子）設(shè)試樣的長(zhǎng)度為、寬度為，厚度為，若在方向通過(guò)電流，電子電荷以速度向左運(yùn)動(dòng)。

若電子的電荷量為，自由電子濃度為，則

若在軸方向加上恒定的磁場(chǎng)，電子電荷在沿軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)將受到洛倫茲力的作用，洛倫茲力用表示：（1）

（2）++++++++————————4ppt課件若用一塊如圖所示的N型半導(dǎo)體試樣（導(dǎo)電的載流子是電

由于洛倫茲力的作用，使得電子將沿的方向向下側(cè)偏移（即軸的負(fù)方向），這樣就引起了側(cè)電子的積累，側(cè)正電荷的積累，從而使兩側(cè)出現(xiàn)電勢(shì)差，且點(diǎn)高于點(diǎn)，所以在試樣中形成了橫向電場(chǎng)，這一電場(chǎng)就稱為霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)又對(duì)電子具有反方向的靜電力。（3）（此力方向向上）

電子受到電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的作用，一方面使電子向下偏移，另一方面電子又受到向上的阻礙電子向下偏移的力。由于這兩個(gè)力的作用所以電子在半導(dǎo)體試樣側(cè)面的積累不會(huì)無(wú)限止地進(jìn)行下去：在開(kāi)始階段，電場(chǎng)力比磁場(chǎng)力小，電荷繼續(xù)向側(cè)面積累，隨著積累電荷的增加，電場(chǎng)力不斷增加，直到電子所受的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力相等，即時(shí)，電子不再橫向漂移，結(jié)果在、兩面形成恒定的電勢(shì)差叫霍爾電勢(shì)差。

5ppt課件由于洛倫茲力的作用，使得電子將沿的方向向下側(cè)即（4）（5）（6）（7）由固體物理理論可以證明金屬的霍爾系數(shù)為式中為載流子濃度，為載流子所帶的電量。是一常量，僅與導(dǎo)體材料有關(guān)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)6ppt課件即（4）由固由（6）（7）式得由此可以定義霍爾元件的靈敏度（8）（9）（10）

可見(jiàn)，只要測(cè)出霍爾電勢(shì)差和工作電流，就可以求出磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)給定，改變時(shí)可得到，呈線性關(guān)系，直線斜率就是。由公式（9）可求得7ppt課件由（6）（7）式得（8）可見(jiàn)，只要測(cè)出霍爾電勢(shì)差由可以確定以下參數(shù)：①導(dǎo)電類型如圖：

由于運(yùn)動(dòng)電荷受到洛倫茲力的作用，使其S側(cè)積累負(fù)電荷，P側(cè)積累正電荷，因此電勢(shì)差是P點(diǎn)高于S點(diǎn)，則為N型半導(dǎo)體。++++++——————8ppt課件由可以確定以下參數(shù)：由于運(yùn)動(dòng)電荷受到洛p型半導(dǎo)體導(dǎo)電載流子為空穴，空穴相當(dāng)于帶正電的粒子，帶正電粒子其運(yùn)動(dòng)方向和電流運(yùn)動(dòng)方向相同，如圖所示：

帶正電的粒子在洛倫茲力作用下，其正電荷向下偏移，上側(cè)積累了負(fù)電荷，形成下高上低的電勢(shì)差。這時(shí)，則，所以是p型半導(dǎo)體。++++++——————9ppt課件p型半導(dǎo)體導(dǎo)電載流子為空穴，空穴相當(dāng)于帶正電的粒②求載流子濃度

（11）一般情況下可以用上式求解，但是嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，霍爾系數(shù)表達(dá)式中應(yīng)當(dāng)乘以一個(gè)修正因子3/8：

（12）

由以上討論可知，霍爾電壓與載流子濃度成反比，即導(dǎo)電材料的載流子濃度越大，霍爾系數(shù)就越小，霍爾電勢(shì)差就越小，一般金屬中的載流子是自由電子，其濃度很大(大約)，所以金屬材料的霍爾系數(shù)很小，霍爾效應(yīng)不顯著。半導(dǎo)體材料的載流子濃度要比金屬小得多，能夠產(chǎn)生較大的霍爾電勢(shì)差，所以霍爾片要用半導(dǎo)體材料做成，而不用金屬材料做霍爾片。另外載流子濃度的大小受溫度的影響較大，所以要注意消除溫度的影響。還有，霍爾電壓與通過(guò)霍爾片的工作電流和電荷所受的磁場(chǎng)的乘積成正比，與霍爾片厚度成反比，霍爾片厚度越小，霍爾電動(dòng)勢(shì)就越大，所以制作霍爾片時(shí)往往采用減小的辦法來(lái)增加霍爾電動(dòng)勢(shì)，從而提高靈敏度。10ppt課件②求載流子濃度由以上討論可知，霍爾電壓與載流2.系統(tǒng)誤差分析不等勢(shì)效應(yīng)：與的方向有關(guān)愛(ài)廷豪森效應(yīng)：與、均有關(guān)能斯脫效應(yīng)：與的方向有關(guān)里紀(jì)——勒杜克效應(yīng)：與的方向有關(guān)11ppt課件2.系統(tǒng)誤差分析11ppt課件3.系統(tǒng)誤差的消除——對(duì)稱測(cè)量法12ppt課件3.系統(tǒng)誤差的消除——對(duì)稱測(cè)量法12ppt課件儀器簡(jiǎn)介

霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀由實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀組成，其裝置如圖：13ppt課件儀器簡(jiǎn)介13ppt課件14ppt課件14ppt課件1、實(shí)驗(yàn)儀：本實(shí)驗(yàn)儀由電磁鐵、二維移動(dòng)標(biāo)尺、三個(gè)換向閘刀開(kāi)關(guān)、霍爾元件組成。

C型電磁鐵，給它通以電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。

二維移動(dòng)標(biāo)尺及霍爾元件；霍爾元件是由N型半導(dǎo)體材料制成的，將其固定在二維移動(dòng)標(biāo)尺上，將霍爾元件放入磁鐵的縫隙之中，使霍爾元件垂直放置在磁場(chǎng)之中，在霍爾元件上通以電流，如果這個(gè)電流是垂直于磁場(chǎng)方向的話，則在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上導(dǎo)體兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差。三個(gè)雙刀雙擲閘刀開(kāi)關(guān)分別對(duì)勵(lì)磁電流，工作電流霍爾電壓進(jìn)行通斷和換向控制。右邊閘刀控制勵(lì)磁電流的通斷、換向。左邊閘刀開(kāi)關(guān)控制工作電流的通斷換向。中間閘刀固定不變即指向一側(cè)。15ppt課件15ppt課件2、測(cè)試儀

測(cè)試儀有兩組獨(dú)立的恒流源，即“輸出”為0～10mA給霍爾元件提供工作電流的電流源，“輸出”為0～1A為電磁鐵提供電流的勵(lì)磁電流源。兩組電流源相互獨(dú)立。兩路輸出電流大小均連續(xù)可調(diào)，其值可通過(guò)“測(cè)量選擇”鍵由同一數(shù)字電流表進(jìn)行測(cè)量，向里按“測(cè)量選擇”測(cè)，放出鍵來(lái)測(cè)。電流源上有調(diào)節(jié)旋鈕和調(diào)節(jié)旋鈕。

直流數(shù)字電壓表用于測(cè)量霍爾電壓，本實(shí)驗(yàn)只讀霍爾電壓、所以將中間閘刀開(kāi)關(guān)撥向上面即可。當(dāng)顯示屏上的數(shù)字前出現(xiàn)“—”號(hào)時(shí)，表示被測(cè)電壓極性為負(fù)值。16ppt課件2、測(cè)試儀16ppt課件注意事項(xiàng)：●霍爾元件輕脆易碎，必須防止受壓、擠、扭、碰撞等。本實(shí)驗(yàn)中霍爾片位置已調(diào)好!請(qǐng)不要再調(diào)動(dòng)位置！●霍爾元件的工作電流和電磁鐵的勵(lì)磁電流要嚴(yán)格區(qū)分，絕不能接錯(cuò)！

●實(shí)驗(yàn)前先將兩旋鈕逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到底，實(shí)驗(yàn)時(shí)再根據(jù)要求慢慢調(diào)至所需量程！

●實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要避免霍爾元件長(zhǎng)時(shí)間受熱！17ppt課件注意事項(xiàng)：17ppt課件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

1、調(diào)整勵(lì)磁電流=0.700A不變，改變工作電流，使=1.00mA，1.20，……，2.00mA，并根據(jù)原理所述順序，分別改變、的方向（將換向閘刀撥向上或下）測(cè)出相應(yīng)的霍爾電勢(shì)差，填入表1。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪出圖線，由該圖線斜率求出霍爾系數(shù)。(已知d=0.50mm）。

2、保持工作電流=2.00mA不變，改變勵(lì)磁電流，使=0.200，0.300，……，0.700A，并根據(jù)原理所述順序，分別改變、的方向，測(cè)出相應(yīng)的霍爾電勢(shì)差，填入表2。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪出圖線。18ppt課件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟18ppt課件數(shù)據(jù)記錄及處理1.的關(guān)系表119ppt課件數(shù)據(jù)記錄及處理19ppt課件2.的關(guān)系表220ppt課件2.的關(guān)系20ppt課件由表1數(shù)據(jù)作圖圖121ppt課件由表1數(shù)據(jù)作圖圖121ppt課件由表2數(shù)據(jù)作圖圖222ppt課件由表2數(shù)據(jù)作圖圖222ppt課件由圖1求斜率：如（，，

其值在儀器上標(biāo)出）

（其中）

23ppt課件由圖1求斜率：（，注意單位：：

：

：或24ppt課件注意單位：：或24ppt課件霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)25ppt課件霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1ppt課件實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理以及有關(guān)霍爾器件對(duì)材料要求的知識(shí)；2、研究霍爾電壓與工作電流及霍爾電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系；（即，）3、掌握用作圖法求霍爾系數(shù)的方法，由符號(hào)或霍爾電壓的正負(fù)判斷樣品的導(dǎo)電類型,并求出載流子濃度;4、學(xué)習(xí)一種消除系統(tǒng)誤差的方法——對(duì)稱測(cè)量法。26ppt課件實(shí)驗(yàn)?zāi)康?ppt課件實(shí)驗(yàn)原理

1.霍爾效應(yīng)

如果將一塊金屬或半導(dǎo)體材料垂直放在磁場(chǎng)中，在垂直于磁場(chǎng)方向上通以電流,則在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上導(dǎo)體的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

這個(gè)效應(yīng)是1879年美國(guó)霍普金斯大學(xué)的研究生霍爾在研究金屬導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種電磁現(xiàn)象，后來(lái)被稱為霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)不僅是測(cè)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，利用霍爾效應(yīng)制成的器件已廣泛地用于非電量的測(cè)量，如溫度、壓力等等，還有自動(dòng)化控制和信息處理等領(lǐng)域。

霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)是由于導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）中的載流子（形成電流的的運(yùn)動(dòng)電荷）在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用而發(fā)生的橫向漂移的結(jié)果。27ppt課件實(shí)驗(yàn)原理

1.霍爾效應(yīng)

如果將一塊金屬或半導(dǎo)體

若用一塊如圖所示的N型半導(dǎo)體試樣（導(dǎo)電的載流子是電子）設(shè)試樣的長(zhǎng)度為、寬度為，厚度為，若在方向通過(guò)電流，電子電荷以速度向左運(yùn)動(dòng)。

若電子的電荷量為，自由電子濃度為，則

若在軸方向加上恒定的磁場(chǎng)，電子電荷在沿軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)將受到洛倫茲力的作用，洛倫茲力用表示：（1）

（2）++++++++————————28ppt課件若用一塊如圖所示的N型半導(dǎo)體試樣（導(dǎo)電的載流子是電

由于洛倫茲力的作用，使得電子將沿的方向向下側(cè)偏移（即軸的負(fù)方向），這樣就引起了側(cè)電子的積累，側(cè)正電荷的積累，從而使兩側(cè)出現(xiàn)電勢(shì)差，且點(diǎn)高于點(diǎn)，所以在試樣中形成了橫向電場(chǎng)，這一電場(chǎng)就稱為霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)又對(duì)電子具有反方向的靜電力。（3）（此力方向向上）

電子受到電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的作用，一方面使電子向下偏移，另一方面電子又受到向上的阻礙電子向下偏移的力。由于這兩個(gè)力的作用所以電子在半導(dǎo)體試樣側(cè)面的積累不會(huì)無(wú)限止地進(jìn)行下去：在開(kāi)始階段，電場(chǎng)力比磁場(chǎng)力小，電荷繼續(xù)向側(cè)面積累，隨著積累電荷的增加，電場(chǎng)力不斷增加，直到電子所受的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力相等，即時(shí)，電子不再橫向漂移，結(jié)果在、兩面形成恒定的電勢(shì)差叫霍爾電勢(shì)差。

29ppt課件由于洛倫茲力的作用，使得電子將沿的方向向下側(cè)即（4）（5）（6）（7）由固體物理理論可以證明金屬的霍爾系數(shù)為式中為載流子濃度，為載流子所帶的電量。是一常量，僅與導(dǎo)體材料有關(guān)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)30ppt課件即（4）由固由（6）（7）式得由此可以定義霍爾元件的靈敏度（8）（9）（10）

可見(jiàn)，只要測(cè)出霍爾電勢(shì)差和工作電流，就可以求出磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)給定，改變時(shí)可得到，呈線性關(guān)系，直線斜率就是。由公式（9）可求得31ppt課件由（6）（7）式得（8）可見(jiàn)，只要測(cè)出霍爾電勢(shì)差由可以確定以下參數(shù)：①導(dǎo)電類型如圖：

由于運(yùn)動(dòng)電荷受到洛倫茲力的作用，使其S側(cè)積累負(fù)電荷，P側(cè)積累正電荷，因此電勢(shì)差是P點(diǎn)高于S點(diǎn)，則為N型半導(dǎo)體。++++++——————32ppt課件由可以確定以下參數(shù)：由于運(yùn)動(dòng)電荷受到洛p型半導(dǎo)體導(dǎo)電載流子為空穴，空穴相當(dāng)于帶正電的粒子，帶正電粒子其運(yùn)動(dòng)方向和電流運(yùn)動(dòng)方向相同，如圖所示：

帶正電的粒子在洛倫茲力作用下，其正電荷向下偏移，上側(cè)積累了負(fù)電荷，形成下高上低的電勢(shì)差。這時(shí)，則，所以是p型半導(dǎo)體。++++++——————33ppt課件p型半導(dǎo)體導(dǎo)電載流子為空穴，空穴相當(dāng)于帶正電的粒②求載流子濃度

（11）一般情況下可以用上式求解，但是嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，霍爾系數(shù)表達(dá)式中應(yīng)當(dāng)乘以一個(gè)修正因子3/8：

（12）

由以上討論可知，霍爾電壓與載流子濃度成反比，即導(dǎo)電材料的載流子濃度越大，霍爾系數(shù)就越小，霍爾電勢(shì)差就越小，一般金屬中的載流子是自由電子，其濃度很大(大約)，所以金屬材料的霍爾系數(shù)很小，霍爾效應(yīng)不顯著。半導(dǎo)體材料的載流子濃度要比金屬小得多，能夠產(chǎn)生較大的霍爾電勢(shì)差，所以霍爾片要用半導(dǎo)體材料做成，而不用金屬材料做霍爾片。另外載流子濃度的大小受溫度的影響較大，所以要注意消除溫度的影響。還有，霍爾電壓與通過(guò)霍爾片的工作電流和電荷所受的磁場(chǎng)的乘積成正比，與霍爾片厚度成反比，霍爾片厚度越小，霍爾電動(dòng)勢(shì)就越大，所以制作霍爾片時(shí)往往采用減小的辦法來(lái)增加霍爾電動(dòng)勢(shì)，從而提高靈敏度。34ppt課件②求載流子濃度由以上討論可知，霍爾電壓與載流2.系統(tǒng)誤差分析不等勢(shì)效應(yīng)：與的方向有關(guān)愛(ài)廷豪森效應(yīng)：與、均有關(guān)能斯脫效應(yīng)：與的方向有關(guān)里紀(jì)——勒杜克效應(yīng)：與的方向有關(guān)35ppt課件2.系統(tǒng)誤差分析11ppt課件3.系統(tǒng)誤差的消除——對(duì)稱測(cè)量法36ppt課件3.系統(tǒng)誤差的消除——對(duì)稱測(cè)量法12ppt課件儀器簡(jiǎn)介

霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀由實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀組成，其裝置如圖：37ppt課件儀器簡(jiǎn)介13ppt課件38ppt課件14ppt課件1、實(shí)驗(yàn)儀：本實(shí)驗(yàn)儀由電磁鐵、二維移動(dòng)標(biāo)尺、三個(gè)換向閘刀開(kāi)關(guān)、霍爾元件組成。

C型電磁鐵，給它通以電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。

二維移動(dòng)標(biāo)尺及霍爾元件；霍爾元件是由N型半導(dǎo)體材料制成的，將其固定在二維移動(dòng)標(biāo)尺上，將霍爾元件放入磁鐵的縫隙之中，使霍爾元件垂直放置在磁場(chǎng)之中，在霍爾元件上通以電流，如果這個(gè)電流是垂直于磁場(chǎng)方向的話，則在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上導(dǎo)體兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差。三個(gè)雙刀雙擲閘刀開(kāi)關(guān)分別對(duì)勵(lì)磁電流，工作電流霍爾電壓進(jìn)行通斷和換向控制。右邊閘刀控制勵(lì)磁電流的通斷、換向。左邊閘刀開(kāi)關(guān)控制工作電流的通斷換向。中間閘刀固定不變即指向一側(cè)。39ppt課件15ppt課件2、測(cè)試儀

測(cè)試儀有兩組獨(dú)立的恒流源，即“輸出”為0～10mA給霍爾元件提供工作電流的電流源，“輸出”為0～1A為電磁鐵提供電流的勵(lì)磁電流源。兩組電流源相互獨(dú)立。兩路輸出電流大小均連續(xù)可調(diào)，其值可通過(guò)“測(cè)量選擇”鍵由同一數(shù)字電流表進(jìn)行測(cè)量，向里按“測(cè)量選擇”測(cè)，放出鍵來(lái)測(cè)。電流源上有調(diào)節(jié)旋鈕和調(diào)節(jié)旋鈕。

直流數(shù)字電壓表用于測(cè)量霍爾電壓，本實(shí)驗(yàn)只讀霍爾電壓、所以將中間閘刀開(kāi)關(guān)撥向上面即可。當(dāng)顯示屏上的數(shù)字前出現(xiàn)“—”號(hào)時(shí)，表示被測(cè)電壓極性為負(fù)值。40ppt課件2、測(cè)試儀16ppt課件注意事項(xiàng)：●霍爾元件輕脆易碎，必須防止受壓、擠、扭、碰撞等。本實(shí)驗(yàn)中霍爾片位置已調(diào)好!請(qǐng)不要再調(diào)動(dòng)位置！●霍爾元件的工作電流和電磁鐵的勵(lì)磁電流要嚴(yán)格