霍耳效应实验

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1、实验四 霍尔效应及其应用置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于 1879 年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。 【实验目的】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。学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的 VH-IS 和 VH -

2、IM 曲线。确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。 【实验原理】图 15-1 霍尔效应实验原理示意图 a)载流子为电子（N 型） b）载流子为空穴（P 型）aSIHEAACBFEveBFEevACSIHbdlVmA XYZb 1霍尔效应霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（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积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场 。如图 15-1 所示的半导体HE试样，若在 X 方向通以电流 ，在 Z 方向加磁场 ，则在 Y 方向即试样 A-A/ 电极两SIB侧就开始聚集异号电荷而

3、产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图15-1（a ）所示的 N 型试样，霍尔电场逆 Y 方向， （b）的 P 型试样则沿 Y 方向。即有)(P 0)(型型YEH显然，霍尔电场 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力与洛仑兹力 相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故HeBve （15-BveEH1） 其中 为霍尔电场， 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。HEv设试样的宽为 b，厚度为 d，载流子浓度为 n ，则(15-2) bneIS由（15-1） 、 （15-2）两式可得：(15-3)dBIRIEVSHSH1即霍尔电压 （A 、A 电极之间的电压）与 乘

4、积成正比与试样厚度 成反比。H d比例系数 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出neR1（伏）以及知道 （安） 、 （高斯）和 （厘米）可按下式计算 （厘米 3库仑）HVSIBHR：RH （15-4） 810IdVS上式中的 10 是由于磁感应强度 用电磁单位（高斯）而其它各量均采用 CGS 实用单位8而引入。2霍尔系数 与其它参数间的关系HR根据 可进一步确定以下参数：（）由 的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判别的方法是按图15-1 所示的 I 和 B 的方向，若测得的 即点 点电位高于点 的电位，则S ,VAH0A为负，样品属 N 型；反之则为 P 型。

5、H（）由 RH 求载流子浓度 n。即 。应该指出，这个关系式是假定所有载流eR1子都具有相同的漂移速度得到的，严格一点，如果考虑载流子的速度统计分布，需引入的修正因子（可参阅黄昆、谢希德著半导体物理学 ） 。83（3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率 。电导率 与载流子浓度 n 以及迁移率 之间有如下关系：(15-5) ne即 ，测出 值即可求 。|RH3霍尔效应与材料性能的关系根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率 亦较高）的材料。因 ，就金属导体而言， 和 均很低，而不良导体 虽|RH高，但 极小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器

6、件。半导体高， 适中，是制造霍尔元件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴迁移率大，所于霍尔元件多采用 N 型材料，其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔元件的输出电压较片状要高得多。就霍尔器件而言，其厚度是一定的，所以实用上采用来表示器件的灵敏度， 称为霍尔灵敏度，单位为 。nedKH1HKmV/(A.T)4实验方法(1）霍尔电压 的测量方法HV值得注意的是，在产生霍尔效应的同时，因伴随着各种副效应，以致实验测得的 、两极间的电压并不等于真实的霍尔电压 值，而是包含着各种副效应所引起的附加电A HV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对称测量法，

7、基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。即在规定了电流和磁场正、反方向后，分别测量由下列四组不同方向的 和 组合的 （ 、 两点的电位差）即：SIBA， A1V， 2， SI3， A4然后求 、 、 和 的代数平均值。1V234 （15-） HV4321V通过上述的测量方法，虽然还不能消除所有的副效应，但其引入的误差不大，可以略而不计。(2)电导率 的测量可以通过图 15-所示的、（或 A/、 ）电极进行测量，设、间的距离C为 ，样品的横截面积为 ，流经样品的电流为 ，在零磁场下，若测得 A、C 间的l bdSSI电位差为 （即 ） ，可由下式求得：VAC （15-VlIS7）【实验仪器】霍尔

8、效应实验仪。【实验内容】1掌握仪器性能，连接测试仪与实验仪之间的各组连线（1）开关机前，测试仪的“I S 调节”和“I M 调节”旋钮均置零位（即逆时针旋到底） 。（2）按图 15-2 连接测试仪与实验仪之间各组连线。注意：样品各电极引线与对应的双刀开关之间的连线已由制造厂家连接好，请勿再动！严禁将测试仪的励磁电源“I M输出”误接到实验仪的 “IS 输入” 或“ 、 输出”处，否则，一旦通电，霍尔样品即遭损坏！样品共有三对电极，其中 A、A /或 C、C /用于测量霍尔电压 ，A 、C 或 A/、C /用HV于测量电导，D、E 为样品工作电流电极。样品的几尺寸为：d=0.5mm ,b=4.0

9、mm ,A、C 电极间距 l=3.0mm。仪器出产前，霍尔片已调至中心位置。霍尔片性脆易碎，电极甚细易断，严防撞击，或用手去摸，否则，即遭损坏! 霍尔片放置在电磁铁空隙中间，在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎，切勿随意改变 y 轴方向的高度，以免霍尔片与磁极面磨擦而受损。（3）接通电源，预热数分钟，电流表显示“.000”( 当按下“测量选择”键时 )或“0.00”（放开“测量选择”键时） ，电压表显示为“0.00” 。（4）置“测量选择”于 IS 挡（放键） ，电流表所示的值即随“I S 调节”旋钮顺时针转动而增大，其变化范围为 0-10mA，此时电压表所示读数为 “不等势”电压值，它随 IS

10、增大而增大，I S 换向， 极性改号（此乃“不等势”电压值，可通过“对称测量法”予以消除） 。取 IS2mA。图 15-2实验线路连接装置图(5)置“测量选择”于 IM 挡（按键） ，顺时针转动“I M 调节” 旋钮，电流表变化范围为 0-1A。此时 值随 IM 增大而增大，I M 换向， 极性改号（其绝对值随 IM 流向不同HV而异，此乃副效应而致，可通过“对称测量法”予以消除） 。至此，应将“I M 调节”旋钮置零位（即逆时针旋到底） 。（6）放开测量选择键，再测 ，调节 ，然后将“ 输出”切换开关SImA2ISV,H倒向 -侧，测量 电压（ 电极间电压） ； 换向， 亦改号。这些说明霍尔

11、样品C,A的各电极工作均正常，可进行测量。将“ 输出”切换开关恢复 一侧。V,H2测绘 曲线SHIV将测试仪的“功能切换”置 ， 及 换向开关掷向上方，表明 及 均为正SIMSIM值（即 沿 X 轴方向， 沿 Y 轴方向） 。反之，则为负。保持 值不变（取SMMI0.600A） ，改变 的值， 取值范围为 。将实验测量值记入表一中。MISISmA0.4.13测绘 曲线MHIV保持 值不变（取 3.00mA） ，改变 的值， 取值范围为 。SSMII A80.3.将测量数据记入表二中。4测量 值“ 输出”倒向 侧， “功能切换”置 。在零磁场下（ ） ，取HVIM 2.00mA，测量 （即 ）

12、。注意： 取值不要大于 ，以免 过大使毫伏表SIAcVSImA2V超量程（此时首位数码显示为 1，后三位数码熄灭） 。 和 通过功能切换开关由同一只H数字电压表进行测量。电压表零位可通过调零电位器进行调整。当显示器的数字前出现“”时，被测电压极性为负值。5确定样品导电类型将实验仪三组双刀开关均掷向上方，即 沿 X 方向， 沿 Z 方向，毫伏表测量电压SIB为 。取 ，测量 大小及极性，由此判断样品导电类型。AV A.I,mIMS602AV6求样品的 和 值、 nRH附录：霍尔器件中的副效应及其消除方法1不等势电压 0这是由于测量霍尔电压的电极和 A/位置难以做到在一个理想的等势面上，因此当有电

13、流 通过时，SI即使不加磁场也会产生附加的电压 ，其中 r0V为、A /所在的两个等势面之间的电阻（如图 32-3 所示） 。 的符号只与电流 的方向有关，与磁场0VSI的方向无关，因此， 可以通过改变 的方向予0SI以消除。2温差电效应引起的附加电压 EV如图 32-4 所示，由于构成电流的载流子速度不同，若速度为 的载流子所受的洛仑兹力与霍尔电v场力的作用刚好抵消，则速度大于或小于 的载流v子在电场和磁场作用下，将各自朝对立面偏转，从而在 Y 方向引起温差 ，由此产生的温差电AT效应。在 电极上引入附加电压 ，且,AEV，其符号与 和 的方向关系跟 是BIVSESIBH相同的，因此不能用改

14、变 和 方向的方法予以消除，但其引入的误差很小，可以忽略。3热磁效应直接引起的附加电压 N因器件两端电流引线的接触电阻不等，通电后在接触点两处将产生不同的焦尔热，导致在 X 方向有温度梯度，引起载流子沿梯度方向扩散而产生热扩散电流。热流eSIvdyT图 15-4 温差电效应引起的附加电压dxTN图 15-5 热磁效应直接引起的附加电压 dyT图 15-6 热磁效应产生的温差引起的附加电压A等 势 面SI0V图 15-3 不等势电压在 Z 方向磁场作用下，类似于霍尔效应在 Y 方向上产生一附加电场 ，相应的电压Q N，而 的符号只与 的方向有关，与 的方向无关。因此可通过改变 的方BVNNBSI

15、 B向予以消除。4热磁效应产生的温差引起的附加电压 RLV如上所述的 X 方向热扩散电流，因载流子的速度统计分布，在 Z 方向的 作用下，和 2 中所述同理将在 Y 方向产生温度梯度 ，由此引入的附加电压 ，ATQVRL的符号只与 的方向有关，亦能消除之。RLVB综上所述, 实验中测得的 、 之间的电压除 外还包含 和 各个电H,N0E压的代数和，其中 均可以通过 和 换向对称测量法予以消除。,V,RLN0SIB设定电流 和磁场 的正方向，即SI当 时，测得 、 之间的电压：,IS A ERLNHVV01当 时，测得 、 之间的电压：B 2当 时，测得 、 之间的电压：- , 3当 时，测得 、 之间的电压：IS ERLN04求以上四组数据 的代数平均值，可得4321V,32EH