霍尔效应实验报告DOC

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1、大学本（专）科实验报告课程名称 姓名 学院 系 专业 年级 学号 指导教师 成绩年月实验报告目录）实验名称一、实验目的和要求二、实验原理三、主要实验仪器四、实验内容及实验数据记录五、实验数据处理与分析六、质疑、建议霍尔效应实验一实验目的和要求：1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数.2、测绘霍尔元件的V -1 , V -1曲线了解霍尔电势差V与霍尔元件控制（工作）H s H M H电流 I 、励磁电流 I 之间的关系。 sM3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。4、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。二实验原理1、

2、霍尔效应z霍尔效应是导电材料中的电流与 磁场相互作用而产生电动势的效应， 从本质上讲，霍尔效应是运动的带电 粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引 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的方向上产生正 负电荷在不同侧的聚积，从而形成附 加的横向电场。如右图（1）所示，磁场B位于Z 的正向，与之垂直的半导体薄片上沿 X正向通以电流I （称为控制电流或 s工作电流），假设载流子为电子（N型 半导体材料），它沿着与电流I相反的X负向运动。s由于洛伦兹力乙的作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转， 并使B侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电

3、荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两 种积累的异种电荷形成的反向电场力f的作用。随着电荷积累量的增加，f增大，当两力EE大小相等（方向相反）时，f =- f，则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之LE间建立的电场称为霍尔电场E ，相应的电势差称为霍尔电压V 。_ HH设电子按均一速度V向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛伦兹力为 fL =-e V B式中e为电子电量，V为电子漂移平均速度，B为磁感应强度。同时，电场作用于电子的力为 f =-eE = -eV /1EHH式中 E 为霍尔电场强度， V 为霍尔电压， l 为霍尔元件宽度HH当达到动态平衡时，f =-f VB二V /

4、1（1）L E H设霍尔元件宽度为1，厚度为d,载流子浓度为n则霍尔元件的控制（工作）电流为I = neVld（2）s1 I B I B由（1）, （2）两式可得 V = E 1 =丁 = R（3）H H ne d H d即霍尔电压V （A、B间电压）与I、B的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比Hs例系数R = 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，根据材料的电导H ne率O =nep的关系，还可以得到：R =卩 / c = yp（4）H式中P为材料的电阻率、M为载流子的迁移率，即单位电场下载流子的运动速度，一 般电子迁移率大于空穴迁移率，因此制作霍尔元件时大多采用N型半导体材

5、料。当霍尔元件的材料和厚度确定时，设K = R /d = 1/ned（5）HH将式（5）代入式（3）中得 V = K I B（6）H H s式中 K 称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍H尔电势大小，其单位是mV/mA - T ，一般要求K愈大愈好。H若需测量霍尔元件中载流子迁移率|J，则有(7)V V - LEIVIy =-将（2）式、 （5）式、 （7）式联立求得L ISy = Kh - J - Vs其中V为垂直于IS方向的霍尔元件两侧面之间的电势差,EI为由V产生的电场强度，L、 l 分别为霍尔元件长度和宽度。由于金属的电子浓度n很高，所以它的R或K都不大

6、，因此不适宜作霍尔元件。此HH外元件厚度d愈薄，K愈高，所以制作时，往往采用减少d的办法来增加灵敏度，但不能图(2)认为 d 愈薄愈好，因为此时元件的输入和输出电 阻将会增加，这对锗元件是不希望的。应当注意，当磁感应强度B和元件平面法线 成一角度时（如图 2），作用在元件上的有效磁 场是其法线方向上的分量BCOS0，此时 V = K IB cos 0HH s所以一般在使用时应调整元件两平面方 位，使V 达到最大，即0 =0 ,HV = K I B cos0 = K I BH H sH s由式可知，当控制（工乍）电流仃或磁感应强度B，两者之一改变方向时，霍尔电压 V 的方向随之改变；若两者方向同

7、时改变，则 H霍尔电压V极性不变。H 霍尔元件测量磁场的基本电路如图3，将霍尔元 件置于待测磁场的相应位置，并使元件平面与磁感 应强度B垂直，在其控制端输入恒定的工作电流I , s 霍尔元件的霍尔电压输出端接毫伏表，测量霍尔电 势V的值。H三主要实验仪器：1、ZKY-HS 霍尔效应实验仪 包括电磁铁、二维移动标尺、三个换向闸刀开关、霍尔元件及引线2、KY-HC 霍尔效应测试仪四实验内容：1、研究霍尔效应及霍尔元件特性 测量霍尔元件灵敏度Kh，计算载流子浓度n （选做）。 测定霍尔元件的载流子迁移率|J。 判定霍尔元件半导体类型（P型或N型）或者反推磁感应强度B的方向。 研究V与励磁电流I 、工

8、作（控制）电流IS之间的关系。H M S2、测量电磁铁气隙中磁感应强度B的大小以及分布 测量一定I条件下电磁铁气隙中心的磁感应强度B的大小。M 测量电磁铁气隙中磁感应强度B的分布。五实验步骤与实验数据记录：1、仪器的连接与预热将测试仪按实验指导说明书提供方法连接好，接通电源。2、研究霍尔效应与霍尔元件特性 测量霍尔元件灵敏度Kh，计算载流子浓度n。（可选做）。Ha. 调节励磁电流I为0.8A，使用特斯拉计测量此时气隙中心磁感应强度B的大小。Mb. 移动二维标尺，使霍尔元件处于气隙中心位置。c. 调节1 =2.00、10.00mA （数据采集间隔1.00mA）,记录对应的霍尔电压V填入sH表（1

9、）,描绘IVH关系曲线，求得斜率k（k=vh/i）。S H11 H Sd. 据式（6）可求得Kh，据式（5）可计算载流子浓度n。H 测定霍尔元件的载流子迁移率|J。a. 调节I =2.00、10.00mA（间隔为1.00mA）,记录对应的输入电压降V填入表4,sI描绘I V关系曲线，求得斜率K （K=I/V ）。S I22 S Ib. 若已知Kh、L、】，据（8）式可以求得载流子迁移率|J。Hc. 判定霍尔元件半导体类型（P型或N型）或者反推磁感应强度B的方向 根据电磁铁线包绕向及励磁电流I的流向，可以判定气隙中磁感应强度B的M方向。 根据换向闸刀开关接线以及霍尔测试仪I输出端引线，可以判定I

10、在霍尔元SS 件中的流向。 根据换向闸刀开关接线以及霍尔测试仪V输入端引线，可以得出V的正负与HH霍尔片上正负电荷积累的对应关系d. 由B的方向、I流向以及VH的正负并结合霍尔片的引脚位置可以判定霍尔元件半 SH导体的类型（P型或N型）。反之，若已知I流向、VH的正负以及霍尔元件半导体 SH的类型，可以判定磁感应强度B的方向。 测量霍尔电压V与励磁电流I的关系HM霍尔元件仍位于气隙中心，调节I =10.00mA，调节I =100、2001000mA（间隔为sM100mA），分别测量霍尔电压V值填入表（2），并绘出I -V曲线，验证线性关系的范围,H M H分析当I达到一定值以后，I -V直线斜

11、率变化的原因。M M H3、测量电磁铁气隙中磁感应强度B的大小及分布情况 测量电磁铁气隙中磁感应强度B的大小a. 调节励磁电流I为01000mA范围内的某一数值。Mb. 移动二维标尺，使霍尔元件处于气隙中心位置。c. 调节I =2.00、10.00mA （数据采集间隔1.00mA）,记录对应的霍尔电压V填sH入表（1）,描绘IVH关系曲线，求得斜率k（k=vh/i）。S H11 H Sd. 将给定的霍尔灵敏度KH及斜率K代入式（6）可求得磁感应强度B的大小。H1（若实验室配备有特斯拉计，可以实测气隙中心B的大小，与计算的B值比较。） 考察气隙中磁感应强度B的分布情况a. 将霍尔元件置于电磁铁气

12、隙中心，调节I =1000mA，I =10.00mA，测量相应的V。M s Hb. 将霍尔元件从中心向边缘移动每隔5mm选一个点测出相应的V，填入表3。Hc. 由以上所测V值，由式（6）计算出各点的磁感应强度，并绘出B-X图，显示出气H隙内B的分布状态。为了消除附加电势差引起霍尔电势测量的系统误差，一般按土 I ，土 I的四种组合测Ms量求其绝对值的平均值。五实验数据处理与分析：1、测量霍尔元件灵敏度Kh，计算载流子浓度n。表 VH-1IM =800mAI (mA)SV (mV)V (mV)2V (mV)3V (mV)“ V+VI+VI+V一+I +IMs-I +IMs-I -IM s+I -

13、IMsV 1H23-4mv 丿2.0020.5-19.119.1-20.519.803.0028.7-30.730.7-28.729.704.0038.3-41.041.0-38.339.655.0047.9-51.351.2-47.949.586.0057.4-61.561.4-57.459.437.0066.9-71.771.6-67.069.308.0076.6-82.182.0-76.779.359.0086.1-92.392.2-86.289.2010.0095.6-102.5102.4-95.899.08根据上表，描绘出I vH关系曲线 SH如右图。求得斜率K , K =9.9据式

14、（6）可求出 K1，本例中取铭牌上标注的Kh=47,取实 H验指导说明书第3页上的d=2p m 据式（5）可计算载流子浓度 n2、测量电磁铁气隙中磁感应强度B的大小取I =800mA，则可由B=K/Kh求出磁感应强度B的大小 M1 H3、考察气隙中磁感应强度B的分布情况表 3VX|=10OOmA Is=10.00mAX(mm)V (mV)1V (mV)2V (mV)3V (mV)V + V + V + V IV =丨J丨2丨丨3丨丨,(mV) H4+I +Is-I +I-I -I+I -I0118.2Ms-124.8M s124.7-118.3121.505118.0-124.8124.6-118.1121.3810117.7-124.5124.4-117