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1、华南农业大学信息软件学院华南农业大学信息软件学院 实验报告实验报告 课程：大学物理实验课程：大学物理实验 学期：学期：2012-2013 第一学期第一学期 任课老师：任课老师：* 专业班级：专业班级：*学号：学号：* 姓名：姓名：* 评分：评分： 实验实验 3 霍尔效应的应用霍尔效应的应用 一实验目的一实验目的 1.了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 2.测量霍尔元件的曲线，了解霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流之间的系。测量霍尔元件的曲线，了解霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流之间的系。 3.学
2、习用对称测量法消除副效应的影响，测量试样的和曲线。学习用对称测量法消除副效应的影响，测量试样的和曲线。 4.确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。 二实验仪器设备二实验仪器设备 TH-H 型霍尔实验组合仪由试验仪和测试仪组成型霍尔实验组合仪由试验仪和测试仪组成 1.实验仪实验仪： 本实验仪由电磁铁、二维移动标尺、三个换向闸本实验仪由电磁铁、二维移动标尺、三个换向闸 刀开关、霍尔元件组成。刀开关、霍尔元件组成。C 型型 电磁铁，给它通以电流产生磁场。电磁铁，给它通以电流产生磁场。 二维移动标尺及霍尔元件；霍尔元件是由二维移动标尺及霍尔元件；霍尔元件是
3、由 N 型半导体材料制成 的，将其固定在二维移动标尺上，将霍尔元件放入磁铁的缝隙之中，使霍尔元件垂直放置在磁场 之中，在霍尔元件上通以电流，如果这个电流是垂直于磁场方向的话，则在垂直于电流和磁场方 向上导体两侧会产生一个电势差。 型半导体材料制成 的，将其固定在二维移动标尺上，将霍尔元件放入磁铁的缝隙之中，使霍尔元件垂直放置在磁场 之中，在霍尔元件上通以电流，如果这个电流是垂直于磁场方向的话，则在垂直于电流和磁场方 向上导体两侧会产生一个电势差。 三个双刀双掷闸刀开关分别对励磁电流，工作电流三个双刀双掷闸刀开关分别对励磁电流，工作电流 霍尔电 压 霍尔电 压 进行通断和换向控制。右边闸刀控制励
4、磁电流的通断换向。左边闸刀开关控制工作电流的通 断换向。中间闸刀固定不变即指向一侧。 进行通断和换向控制。右边闸刀控制励磁电流的通断换向。左边闸刀开关控制工作电流的通 断换向。中间闸刀固定不变即指向一侧。 2.测试仪测试仪 测试仪有两组独立的恒流源，即测试仪有两组独立的恒流源，即“输出输出”为为 010mA 给霍给霍 尔元件提供工作电流的电流源，尔元件提供工作电流的电流源， “输出输出”为为 01A 为电磁铁提供电流的励磁电流源。两组电流源相互独立。两路输出电流大小均 连续可调，其值可通过 为电磁铁提供电流的励磁电流源。两组电流源相互独立。两路输出电流大小均 连续可调，其值可通过“测量选择测量
5、选择”键由同一数字电流表进行测量，向里按键由同一数字电流表进行测量，向里按“测量选测量选 择择”测，放出键 来测。电流源上有 测，放出键 来测。电流源上有 Is 调节旋钮和调节旋钮和 Im 调节旋钮。调节旋钮。 直流数字电压表用于测量霍尔电压，本实验只读霍尔电压、所以将中间闸刀开关拨向上面 即可。当显示屏上的数字前出现 直流数字电压表用于测量霍尔电压，本实验只读霍尔电压、所以将中间闸刀开关拨向上面 即可。当显示屏上的数字前出现“”号时，表示被测电压极性为负值。号时，表示被测电压极性为负值。 三实验的基本构思和原理三实验的基本构思和原理 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而
6、引起的偏转。由于带电粒 子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚 集，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。然而在产生霍尔效应的同时，因伴着多种副效应，以致 实验测得的两极之间的电压并不等于真的值，而是包含着各种副效应引起的附加电压，因此必须设 法消除。根据副效应产生的机理可知，采用电流和磁场换向的所谓对称测量法，基本上能够把副效 应的影响从测量的结果中消除。具体做法是和大小不变，并在设定电流和磁场的正反方向后，依次 测量由下列四组不同方向的和组合的两点之间的电压 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。由于带电粒 子
7、（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚 集，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。然而在产生霍尔效应的同时，因伴着多种副效应，以致 实验测得的两极之间的电压并不等于真的值，而是包含着各种副效应引起的附加电压，因此必须设 法消除。根据副效应产生的机理可知，采用电流和磁场换向的所谓对称测量法，基本上能够把副效 应的影响从测量的结果中消除。具体做法是和大小不变，并在设定电流和磁场的正反方向后，依次 测量由下列四组不同方向的和组合的两点之间的电压 V1,V2,V,.V4,即即 +Is， ，+B， ，V1 +Is， ，-B， ，V2 -Is， ，-B， ，V
8、3 -Is， ，+B， ，V4， ， 然后求上述四组数据然后求上述四组数据 V1， ，V2， ，V3， ，V4 的代数平均值，可得的代数平均值，可得 Vh=(V1V2+V3V4)/4 通过对称测量法求得的通过对称测量法求得的 Vh，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以不计。，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以不计。 四实验基本步骤四实验基本步骤 (1) 按连接测试仪和实验仪之间相应的按连接测试仪和实验仪之间相应的 I s 、 、V s 和和 I m 各组连线，各组连线，I s 及及 Im 换向开关投向上方， 表明 换向开关投向上方， 表明 I s 及及
9、 Im 均为正值，反之为负值。均为正值，反之为负值。V h 、 、Vo 切换开关投向上方测切换开关投向上方测 Vh，投向下方测，投向下方测 Vo 。 。 (2)对测试仪进行调零。将测试仪的两个调节旋钮均置零位，待开机数分钟后若对测试仪进行调零。将测试仪的两个调节旋钮均置零位，待开机数分钟后若 V h,显示不为零，可 通过面板左下方小孔的 显示不为零，可 通过面板左下方小孔的“调零调零”电位器实现调零，即电位器实现调零，即“0. .00“。 。 (3)测绘切换测绘切换 Vh- 值。将开关值。将开关“V h 、 、Vo ”投向投向 V h 测，测试仪的功能切换置测，测试仪的功能切换置 Vh，保持，
10、保持 Im 值不变，测 绘 值不变，测 绘 Vh-Is 曲线。曲线。 (4)测绘测绘 Vh-Im 值。实验仪及试验仪各开关位置同上。保持半导体的电流值。实验仪及试验仪各开关位置同上。保持半导体的电流 I s 不变，测绘不变，测绘 Vh-Im 曲线。曲线。 (5)测量测量 Vo 值。将切换开关值。将切换开关“V h 、 、Vo ”投向投向 v o 测，在零磁场下，取测，在零磁场下，取 I s=2.00mA，测量，测量 Vo。 。 (6)确定样品的导电类型。将实验仪三组双刀开关均投向上方，毫伏表测量电压为确定样品的导电类型。将实验仪三组双刀开关均投向上方，毫伏表测量电压为 Vaa,取取 I s=2
11、.00mA， ，-， ，Im=0.6A ，测量，测量 V h 大小及极性，判断样品导电类型。大小及极性，判断样品导电类型。 (7) 求样品求样品 R h ,n,o,u 值。值。 五实验数据记录及处理五实验数据记录及处理 绘制绘制 Vh-Is 曲线数据表曲线数据表 1 V 2 V 3 V 4 V Is (mA )(霍 尔电流 霍 尔电流) +Is,+B， ， +Is,-B， ，-Is,-B， ， -Is,+B， ， Vh=(V1-V2+V3-V4)/4 (mV) 1.00-4.784.18-4.274.284.38 1.50-7.036.38-6.896.526.71 2.00-9.278.56
12、-9.088.768.92 2.50-11.5510.80-11.3211.04 11.18 3.00-13.8013.00-13.5113.2913.40 4.00-17.9117.39-18.2917.7817.84 其中电流范围：其中电流范围：Im=0.6A； ；Is=1.004.00mA 绘制绘制 Vh-Im 曲线数据表曲线数据表 1 V 2 V 3 V 4 V (A) M I (励磁电 流 励磁电 流)+Is,+B， ，+Is,-B， ，-Is,-B， ，-Is,+B， ， Vh=(V1-V2+V3-V4)/4 (mV) 0.300-7.046.26-6.766.546.65 0.4
13、00-9.388.52-9.038.828.94 0.500-11.5410.74-11.2411.0911.15 0.600-13.8412.97-13.4813.2713,.39 0.700-16.0015.21-15.7215.5215.61 0.800-18.2317.44-17.9517.7317.84 其中电流范围：其中电流范围：Is=3.00mA； ；Im=0.3000.800A。 。Vo=1mv， ，d=0.5mm， ， 由表画出由表画出 V h-Im 关系线：关系线： 由表画出由表画出 V h I s 关系线：关系线： 相关数据计算相关数据计算 R h=（ （Vh*d） ）/
14、(I s*B)=1.06*10-2(M.V)/(A.T) u=|Rh|o =? . n=1/|Rh|e=6.4*10（ （20）（）（m-3） ） o=l*I/(S*U)=？ 五实验结论：五实验结论： 1. 当励磁电流当励磁电流=0 时，霍尔电压不为时，霍尔电压不为 0，且随着霍尔电流的增加而增加，通过作图发现二者满足，且随着霍尔电流的增加而增加，通过作图发现二者满足 M I 线性关系。说明在霍尔元件内存在一不等位电压，这是由于测量霍尔电压的两条接线没有在同 一个等势面上造成的。 线性关系。说明在霍尔元件内存在一不等位电压，这是由于测量霍尔电压的两条接线没有在同 一个等势面上造成的。 2.当励
15、磁电流保持恒定，改变霍尔电流时，测量得到的霍尔电压随霍尔电流的增加而增加，通过作 图发现二者之间满足线性关系。 当励磁电流保持恒定，改变霍尔电流时，测量得到的霍尔电压随霍尔电流的增加而增加，通过作 图发现二者之间满足线性关系。 3.当霍尔电压保持恒定，改变励磁电流时，测量得到的霍尔电压随励磁电流的增加而增加，通过作 图发现二者之间也满足线性关系 当霍尔电压保持恒定，改变励磁电流时，测量得到的霍尔电压随励磁电流的增加而增加，通过作 图发现二者之间也满足线性关系 六注意事项：六注意事项： 1.不要带电接线，中间改变电路时，一定要先关闭电源，再连接电路。不要带电接线，中间改变电路时，一定要先关闭电源
16、，再连接电路。 2.实验完成后要整理实验仪器，先关闭电源，再将电线拆下，捋好后放在实验仪器的右侧。实验完成后要整理实验仪器，先关闭电源，再将电线拆下，捋好后放在实验仪器的右侧。 3.仪器开机前应将、调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小，然后再开机关仪器开机前应将、调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小，然后再开机关 M I H I 机前，应将、调节旋钮逆时针方向旋到底，然后切断电源机前，应将、调节旋钮逆时针方向旋到底，然后切断电源 M I H I 4.电源开机后预热几分钟，即可进行实验。电源开机后预热几分钟，即可进行实验。 5.在实验过程中试验仪的开关应至始至终保持闭合，否则会为在实验过程中试验仪的开关应至始至终保持闭合，否则会为“1
