霍爾效應(yīng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報(bào)告

名稱(chēng)：霍爾效應(yīng)的應(yīng)用目的：1．霍爾效應(yīng)原理及霍爾元件有關(guān)參數(shù)的含義和作用2．測(cè)繪霍爾元件的VH—Is，VH—IM曲線，了解霍爾電勢(shì)差VH與霍爾元件工作電流Is，磁場(chǎng)應(yīng)強(qiáng)度B及勵(lì)磁電流IM之間的關(guān)系。3．學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B及磁場(chǎng)分布。4．學(xué)習(xí)用“對(duì)稱(chēng)交換測(cè)量法”消除負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。器材：1、實(shí)驗(yàn)儀：（1）電磁鐵。（2）樣品和樣品架。（3）Is和IM換向開(kāi)關(guān)及VH、Vó切換開(kāi)關(guān)。2、測(cè)試儀：（1）兩組恒流源。（2）直流數(shù)字電壓表。原理：霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)，即霍爾電場(chǎng)。如圖15-1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(chǎng)，則在Y方向即試樣A-A/電極兩側(cè)就開(kāi)始聚集異號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng)。電場(chǎng)的指向取決于試樣的導(dǎo)電類(lèi)型。對(duì)圖所示的N型試樣，霍爾電場(chǎng)逆Y方向，（b）的P型試樣則沿Y方向。即有顯然，霍爾電場(chǎng)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(chǎng)力與洛侖茲力相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，故（1）其中為霍爾電場(chǎng)，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（2）由（1）、（2）兩式可得：(3)即霍爾電壓（A、A／電極之間的電壓）與乘積成正比與試樣厚度成反比。比例系數(shù)稱(chēng)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)。只要測(cè)出（伏）以及知道（安）、（高斯）和（厘米）可按下式計(jì)算（厘米3／庫(kù)侖）：RH＝（4）上式中的10是由于磁感應(yīng)強(qiáng)度用電磁單位（高斯）而其它各量均采用CGS實(shí)用單位而引入。由于產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，伴隨多種副效應(yīng)，以致實(shí)測(cè)的霍爾電場(chǎng)間電壓不等于真實(shí)的VH值，因此必需設(shè)法消除。根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，采用電流和磁場(chǎng)換向的對(duì)稱(chēng)測(cè)量法基本上能把副效應(yīng)的影響從測(cè)量結(jié)果中消除。具體的做法是Is和B（即IM）的大小不變，并在設(shè)定電流和磁場(chǎng)的正反方向后，依次測(cè)量由下面四組不同方向的Is和B（即IM）時(shí)的V1，V2，V3，V4，1）+Is

+B

V12）+Is

-B

V23）-Is

-B

V34）-Is

+B

V4然后求它們的代數(shù)平均值，可得：通過(guò)對(duì)稱(chēng)測(cè)量法求得的VH誤差很小。另一方面，射載流子濃度為n,薄片厚度為d,則電流強(qiáng)度I與u的關(guān)系為：……(5)，則可得到……(6)，令，則 ……(7)，R稱(chēng)為霍爾系數(shù)，它體現(xiàn)了材料的霍爾效應(yīng)大小。根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的元件稱(chēng)為霍爾元件。在應(yīng)用中，(6)常以如下形式出現(xiàn)： ……(8)，式中稱(chēng)為霍爾元件靈敏度，I稱(chēng)為控制電流?？梢?jiàn)，若I、KH已知，只要測(cè)出霍爾電壓VBB’，即可算出磁場(chǎng)B的大??；并且若知載流子類(lèi)型(n型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為電子，P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴),則由VBB’的正負(fù)可測(cè)出磁場(chǎng)方向，反之，若已知磁場(chǎng)方向，則可判斷載流子類(lèi)型。由于霍爾效應(yīng)建立所需時(shí)間很短(10-12~10-14s),因此霍爾元件使用交流電或者直流電都可。指示交流電時(shí)，得到的霍爾電壓也是交變的，I和VBB’應(yīng)理解為有效值。步驟：1、測(cè)量霍耳電壓與工作電流的關(guān)系。對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行調(diào)零。將測(cè)試儀的“調(diào)節(jié)”和“調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位，待開(kāi)機(jī)數(shù)分鐘后若顯示不為零，可通過(guò)面板左下方小孔的“調(diào)零”電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)零，即“”。測(cè)繪-曲線。將實(shí)驗(yàn)儀的“，”切換開(kāi)關(guān)投向側(cè)，測(cè)試儀的“功能切換”置，保持值不變（取=），繪制-曲線。2、測(cè)量霍耳電壓與工作電流的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)儀與測(cè)試儀各開(kāi)關(guān)位置同上。保持半導(dǎo)體的電流不變（取=），繪制-曲線。3、測(cè)量值。將切換開(kāi)關(guān)“，”投向側(cè)，“功能切換”置。在零磁場(chǎng)下，取=，測(cè)量。4、確定樣品的導(dǎo)電類(lèi)型。將實(shí)驗(yàn)儀三組雙刀開(kāi)關(guān)均投向上方，即沿X方向，沿Z方向。毫伏表測(cè)量電壓為。取==0.6A，測(cè)量大小及極性，判斷樣品導(dǎo)電類(lèi)型。5、求樣品，n，，μ值。六、記錄：1．測(cè)繪曲線，保持I=0.6A、I=~不變，在表格中記錄霍爾電壓。2．測(cè)繪曲線，保持Is=；Im=~0.800A不變，在表格中記錄霍爾電壓。Im/A測(cè)得：V=Vh=數(shù)據(jù)處理：1、根據(jù)數(shù)據(jù)表作出曲線圖：2、在零磁場(chǎng)下，取=，測(cè)出=3、確定樣品的導(dǎo)電類(lèi)型。測(cè)出霍耳電壓=<0,故樣品屬N型。4、求樣品，n，，μ值。(1)由分別求出表1、2的，再求出其平均值、，得故（2）（3）(4)預(yù)習(xí)思考題：1、霍耳元件為什么要用半導(dǎo)體材料，而且要求做得很薄霍爾電壓是如何產(chǎn)生的答：半導(dǎo)體材料的遷移率高，電阻率適中，是制造霍耳器件較理想的材料。工作電流和磁場(chǎng)為什么要換向?qū)嶋H操作時(shí)如何實(shí)現(xiàn)答：為了把產(chǎn)生霍耳效應(yīng)的時(shí)候所伴隨的副效應(yīng)的影響從測(cè)量的結(jié)果中消除。實(shí)際操作時(shí)通過(guò)切換實(shí)驗(yàn)儀三組雙刀開(kāi)關(guān)改變電流和磁場(chǎng)的方向。回答、、、分別表示什么含義、的作用分別是什么答：表示樣品工作電流；表示勵(lì)磁電流；表示存在磁場(chǎng)時(shí)的霍耳電壓；表示在零磁場(chǎng)下的霍耳電壓。的作用是改變電流大小和方向，的作用是改變磁場(chǎng)的大小及方向?；舳?yīng)有哪些應(yīng)用答：在現(xiàn)代汽車(chē)上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號(hào)傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車(chē)速度表和里程表、液體物理量檢測(cè)器、各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器。九、操作后思考題：如何精確測(cè)量霍耳電壓本實(shí)驗(yàn)采用什么方法消除各種附加電壓答：設(shè)法消除產(chǎn)生霍爾效應(yīng)時(shí)伴隨的多種副效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)采用電流和磁場(chǎng)換向的所謂對(duì)稱(chēng)測(cè)量法。2、磁場(chǎng)不恰好與霍耳片的法線一致，對(duì)測(cè)量結(jié)果有何影響答：磁場(chǎng)不與霍爾片垂直，只有其法向分量能起作用，即霍爾片產(chǎn)生的霍爾電壓會(huì)減小。能否用霍耳元件片測(cè)量交變磁場(chǎng)若能，怎樣測(cè)量答：能。如何根據(jù)和的方向，判斷所測(cè)樣品為N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體答：先設(shè)定和的參考正方向：例如設(shè)定從左向右為正，垂直紙面向內(nèi)為正，正電荷向上偏轉(zhuǎn)，則從下向上為正。然后將測(cè)量?jī)x器按參考正方向連接。電流表要左邊接紅表筆，右邊接黑表筆，電壓表要下表面接紅表筆，上表面接黑表筆。然后將均調(diào)為正，觀察電壓表的正負(fù)。根據(jù)，如果電壓表為負(fù)數(shù)，則靈敏度，電子導(dǎo)電，N型半導(dǎo)體；如果電壓表為正數(shù)，，空穴導(dǎo)電，P型半導(dǎo)體。請(qǐng)根據(jù)歐姆定律推導(dǎo)出（電導(dǎo)率為電阻率的倒數(shù)）。答：歐姆定律，電阻，則有，而