霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

【摘要】隨著電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾效應(yīng)不單是測(cè)定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，利用霍爾效應(yīng)制成的霍爾器件憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬（高達(dá)）、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于非電量測(cè)量、自動(dòng)控制和信息處理等方面，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(cè)量已成為研究半導(dǎo)體材料的主要方法之一，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)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)。本文重點(diǎn)對(duì)霍爾電壓（）與工作電流（I）S、霍爾電壓（V）、與磁場(chǎng)的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，進(jìn)一步深入了解霍爾效應(yīng)的機(jī)理?！娟P(guān)鍵詞】霍爾器件;霍爾電壓;霍爾效應(yīng);實(shí)驗(yàn)探究一、測(cè)量磁場(chǎng)的霍爾效應(yīng)法的基本原理霍爾效應(yīng)是指運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場(chǎng)中受力的一種效應(yīng)。通以電流的半導(dǎo)體試樣置于磁場(chǎng)中，如果電流方向與磁場(chǎng)方向垂直，即在方向通以電流，在方向加磁場(chǎng)B則在方向就開始聚集異號(hào)電荷。當(dāng)電場(chǎng)與磁場(chǎng)對(duì)電流的作用達(dá)到平衡時(shí)，兩極板間由于電荷的聚集就具有電位差，此過程在極短暫的時(shí)間內(nèi)（）就可完成。此現(xiàn)象是霍爾于年發(fā)現(xiàn)的，故稱為霍爾效應(yīng)。（為霍爾電壓）霍爾效應(yīng)是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)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(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚集，從而形成附加的橫向電場(chǎng)，即霍爾電場(chǎng)。若在方向通以電流，在方向加磁場(chǎng)，那么兩極板間形成的電位差就形成相應(yīng)的附加電場(chǎng)（霍爾電場(chǎng)），電廠的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。（型試樣，霍爾電場(chǎng)沿軸負(fù)方向型試樣，霍爾電場(chǎng)沿軸正方向）從理論上可以知道，該附加電場(chǎng)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(chǎng)力與洛倫茲力相等時(shí)，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡，故有：（）假如設(shè)試樣的寬度為，厚度為，載流子的濃度為，則電流強(qiáng)度與的關(guān)系為：IS=，ev（，1，.）2由式1.、1式1.可2得：VH=EH，=ISB/，e，=（R1H.）I3SB/，由式可知，霍爾電壓與成正比，與試樣厚度成反比。比例系數(shù)成為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)?；魻栐褪抢蒙鲜龌魻栃?yīng)制成的電磁轉(zhuǎn)換元件，對(duì)于成品的霍爾元件，其和已經(jīng)知道，所以在實(shí)際應(yīng)用中式可寫成：VH=KH（I1S.）B4其中，，是霍爾元件的靈敏度，一般霍爾元件的靈敏度在試驗(yàn)儀標(biāo)牌上可讀出，表示該器件在單位工作電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下輸出的霍爾電壓成為控制電流。根據(jù)式可知，因?yàn)橐话闱闆r下是已知的，而我們可以通過實(shí)驗(yàn)得到，所以只要測(cè)出就可以求得未知磁感應(yīng)強(qiáng)度的值。二、實(shí)驗(yàn)中影響值測(cè)量精度的主要因素及誤差因素的消除1影.響因素從理論公式看，求值可通過參數(shù)計(jì)算得到，但是從實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，往往單純通過公式計(jì)算得到的值與真實(shí)值不相符，原因在于在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，伴隨著多種副效應(yīng)，以至于測(cè)量值并不等于真實(shí)值，而是包含著各種副效應(yīng)引起的附加電壓。主要存在的副效應(yīng)有：不等勢(shì)電壓降（不等勢(shì)效應(yīng)）、溫差電效應(yīng)引起的附加電壓（厄廷好森效應(yīng)）、熱磁效應(yīng)直接引起的附加電壓（能斯特效應(yīng)）、熱磁效應(yīng)產(chǎn)生的溫差引起的附加電壓（里紀(jì)一一勒杜克效應(yīng)）。這些附加電壓的存在是導(dǎo)致測(cè)量值偏離真實(shí)值的主要影響因素，必須設(shè)法消除。誤差因素的消除通過對(duì)各附加電壓的研究發(fā)現(xiàn)，只與的方向有關(guān)，與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向無關(guān)，可以通過改變的方向予以消除的符號(hào)與和的方向的關(guān)系與是相同的，不能用改變和方向的方法予以消除，但是其引入的誤差很小，可以忽略不計(jì)的符號(hào)只與的方向有關(guān)，與的方向無關(guān)，因此可通過改變的方向予以消除的符號(hào)只與的方向有關(guān)，也可以消除。經(jīng)過以上分析可知，測(cè)量值等于各附加電壓的代數(shù)和，而各附加電壓均可通過和換向?qū)ΨQ測(cè)量法來進(jìn)行消除，具體方法是在規(guī)定了電流和磁場(chǎng)正、反方向后，分別測(cè)量由四組不同方向的和的組合的測(cè)量電壓。和方向均為正向時(shí)：為正向，反向時(shí)：和均為反向時(shí)：為反向，正向時(shí)：求以上四組數(shù)據(jù)的代數(shù)平均值，可得：VH（=V1-V2+）V/34-V4通過對(duì)稱測(cè)量法求得的，雖然還存在個(gè)別無法消除的副效應(yīng)，但其引入的誤差很小，可以忽略不計(jì)。三、實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容本次對(duì)霍爾效應(yīng)特性的定性及定量研究，主要針對(duì)變化時(shí)通過霍爾片的電流與霍爾電壓的變化關(guān)系以及電磁鐵勵(lì)磁電流與霍爾電壓間的關(guān)系，通過前面論述我們可以知道電磁鐵的勵(lì)磁電流與其磁場(chǎng)成正比，因此實(shí)質(zhì)上就是研究磁場(chǎng)與霍爾電壓的關(guān)系。本次試驗(yàn)采用的是型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合儀進(jìn)行試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)儀由實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀兩大部分組成，實(shí)驗(yàn)儀包括霍爾效應(yīng)樣品片、電磁鐵及線路連接換向開關(guān)，測(cè)試儀包括霍爾樣品片工作恒流源及電磁鐵勵(lì)磁電流恒流源以及直流數(shù)字電流表和直流數(shù)字電壓表。在實(shí)驗(yàn)中通過有規(guī)律性改變、值來獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并依據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理探尋和、關(guān)系。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)處理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示。數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)根據(jù)肖維涅準(zhǔn)則剔除壞值1壞值條件:i-X|)>Cn*、X的平均值()為無壞值出現(xiàn)某次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差：平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：不確定度估算：計(jì)算霍爾靈敏度及其不確定度:處理結(jié)果：數(shù)據(jù)處理分析（如表所示）計(jì)算結(jié)果極其不確定度：TOC\o"1-5"\h\z在圖上取兩點(diǎn)（，）（，47）（V（△取橫坐標(biāo)最小刻度值的一半）（△取縱坐標(biāo)最小刻度值的一半）處理結(jié)果：KH（=17.±4，.）2（P=，.）683五、總結(jié)本次對(duì)霍爾效應(yīng)特性的研究實(shí)驗(yàn)我先從理論上入手分析研究了霍爾效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)的原理以及找出影響測(cè)量值準(zhǔn)確性的非人為因素，然后進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的