霍尔效应2.doc

霍尔效应一、简介霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。二、理论知识准备1 1 霍尔效应将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势，如图1所示，这现象称为霍尔效应。称为霍尔电压。 (a) (b) 图1 霍尔效应原理图实验表明，在磁场不太强时，电位差与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即 (1)或 (2)式（1）中称为霍尔系数，式（2）中称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mAT)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。 如图1（a）所示，一快长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁场中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子电子所受到的洛仑兹力为 (3) 式中为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷量。指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力，A、B面之间的电位差为（即霍尔电压），则 (4)将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有即 得 (5)此时B端电位高于A端电位。若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流 I=nebdV得 (6)将(6)式代入(5)式得 (7)式中称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小；称为霍尔元件的灵敏度，一般地说，愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压。因和载流子浓度n成反比，而半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏度较高。又因和样品厚度d成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般d0.2mm。上面讨论的是N型半导体样品产生的霍尔效应，B侧面电位比A侧面高；对于P型半导体样品，由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴，与N型半导体的情况相反，A侧面积累正电荷，B侧面积累负电荷，如图1（b）所示，此时，A侧面电位比B侧面高。由此可知，根据A、B两端电位的高低，就可以判断半导体材料的导电类型是P型还是N型。由（7）式可知，如果霍尔元件的灵敏度已知，测得了控制电流I和产生的霍尔电压，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为。高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度B值的仪器。它是选定霍尔元件，即已确定，保持控制电流I不变，则霍尔电压与被测磁感应强度B成正比。如按照霍尔电压的大小，预先在仪器面板上标定出高斯刻度，则使用时由指针示值就可直接读出磁感应强度B值。由（7）式知 因此将待测的厚度为d的半导体样品，放在均匀磁场中，通以控制电流I，测出霍尔电压，再用高斯计测出磁感应强度B值，就可测定样品的霍尔系数。又因（或），故可以通过测定霍尔系数来确定半导体材料的载流子浓度n（或p）（n和p分别为电子浓度和空穴浓度）。严格地说，在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同，考虑到载流子速度的统计分布，并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移率之积，可得半导体霍尔系数的公式中还应引入一个霍尔因子，即 普通物理实验中常用N型Si、N型Ge、InSb和InAs等半导体材料的霍尔元件在室温下测量，霍尔因子，所以 式中，库仑2 2 霍尔效应的副效应上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多，在产生霍尔电压的同时，还伴生有四种副效应，副效应产生的电压叠加在霍尔电压上，造成系统误差。为便于说明，画一简图如图2所示。图2 在磁场中的霍尔元件（1）厄廷豪森（Eting hausen）效应引起的电势差。由于电子实际上并非以同一速度v沿X轴负向运动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点3的侧面，从而导致3侧面较4侧面集中较多能量高的电子，结果3、4侧面出现温差，产生温差电动势。可以证明。容易理解的正负与I和B的方向有关。（2）能斯特（Nernst）效应引起的电势差。焊点1、2间接触电阻可能不同，通电发热程度不同，故1、2两点间温度可能不同，于是引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热流也会在3、4点间形成电势差。若只考虑接触电阻的差异，则的方向仅与B的方向有关。（3）里纪勒杜克（RighiLeduc）效应产生的电势差。在能斯特效应的热扩散电流的载流子由于速度不同，一样具有厄廷豪森效应，又会在3、4点间形成温差电动势。的正负仅与B的方向有关，而与I的方向无关。（4）不等电势效应引起的电势差。由于制造上困难及材料的不均匀性，3、4两点实际上不可能在同一条等势线上。因此，即使未加磁场，当I流过时，3、4两点也会出现电势差。的正负只与电流方向I有关，而与B的方向无关。3 3 副效应引起的系统误差的消除综上所述，在确定的磁场B和电流I下，实际测出的电压是、和这5种电压的代数和。应根据副效应的性质，改变实验条件，尽量消减它们的影响。上述5种电势差与B和I方向的关系列表如下： 表1 电势差与B和I方向的关系VHVEVNVRVOIBIBIBIBIB有关有关有关有关无关有关无关有关有关无关根据以上分析，这些副效应引起的附加电压的正负与电流或磁场的方向有关，我们可以通过改变电流和磁场的方向，来消除、，具体做法如下： 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 由以上四式可得 （）通常比小得多，可以略去不计，因此霍尔电压为（）若要消除的影响，可将霍尔片置于恒温槽中，也可将工作电流改为交流电。因为的建立需要一定的时间，而交变电流来回换向，使始终来不及建立。三、仪器简介1 1 HLIV型霍尔效应实验仪仪器结构A霍尔元件霍尔元件是由N型硅单晶经过平面工艺制成的磁电转换元件，元件尺寸为420.2mm，元件胶合在白色绝缘衬板上，有4条引出导线，其中2条导线为工作电流极（1、2），2条导线为霍尔电压输出极（3、4），同时将这4条引线焊接在玻璃丝布板上，然后引到仪器换向开关上，并以1、2、3、4表示，能方便进行实验。工作电流需用稳定电源供电，适当减小工作电流，以减少热磁效应引起的误差，最大电流15.0mA。霍尔元件的灵敏度已给出，一般在10.0mv /（mAT）左右，温度变化时，灵敏度也略有变化，这主要是由于不同温度下半导体的载流子浓度不同造成的。B调节装置两螺钉分别调节霍尔元件上下、左右移动，两标尺标明霍尔元件在x、y上的位置。C电磁铁根据电源变压器使用带状铁芯具有体积小和电磁性能高的特点，采用冷轧电工钢带制成，线圈用高强度漆包线多层密绕，层间绝缘，导线绕向即磁化电流的方向已标明在线圈上，可确定磁场方向。线圈的两端引线已连接到仪器的换向开关上，便于实验操作。D换向开关仪器上装有三只换向开关，可以很方便地改变、B 、的方向。原理图及工作电路（如图3所示）图3 霍尔效应的实验电路图.产生磁路部分一个有1500匝线包的小型电磁铁T，直流稳压电源提供励磁电流，通过换向开关来改变励磁电流方向，从而改变磁场B的方向。B供给工作电流部分提供霍尔元件工作电流，通过换向开关4 改变工作电流方向。C测量霍尔电压部分mV表测量3、4点间的电位差，即霍尔电压。注意事项A霍尔片工作电流的最大值为：直流15mA；交流有效值为11mA。B电磁铁励磁电流的最大值为直流1A。C本霍尔效应装置，当从“12”通入时，宜令换向开关拨向上方作为、的正向，当从“34”通入时，宜选换向开关拨向下方作为正向。2 2 QSHB型霍尔效应测试仪（1）仪器组成由励磁恒流源、样品工作恒流源、数字电流表、数字电压表等单元组成。（2）仪器面板图4所示：图4 QS型霍尔效应测试仪面板图A恒流源在面板的右侧，接线柱红、黑分别为该电源的输入和输出。“调节”采用16周多圈电位器，右数显窗显示电流值。B恒流源在面板的中间，接线柱红、黑分别为该电源的输入和输出。“调节”也采用16周多圈电位器，中数显窗显示电流值。C输入在面板左下方，为霍尔电压输入测量端，红、黑分别为正、负极性，左上数显窗显示的测量值。（3）仪器的使用A“”输出、“”输出和“”输入三对接线柱分别与实验台的三对相应接线端相连。注意：千万不能将和接错，否则电流将烧坏霍尔样品。B仪器开机关，先将“调节”，“调节”旋钮逆时针旋到底，使、输出为最小值。C打开电源，预热数分钟后即可进行实验。D“调节”和“调节”两旋钮分别用来控制样品工作电流和励磁电流大小，其电流值随钮顺时针方向转动而增加，调节精度分别为10A和1mA。E关机前，将“调节”，“调节”旋钮逆时针旋到底，此时，中右数显窗显示为“000”，方可切断电源。四、实验内容 1. 测量蹄形电磁铁气隙内某一点的磁感应强度 根据实验图，将霍尔效应测试仪的三对接线柱分别与霍尔效应实验仪的三对相应接线端连。 将霍尔片移至气隙大致中央处。 将测试仪“调节”、“调节”旋钮逆时针旋到底，打开电源，预热数分钟。 调节“调节”旋钮，使励磁电流输出为0.400A。 调节测试仪将“调节”旋钮，依次取工作电流为1.00mA、2.00mA、3.00mA、4.00mA、5.00mA、6.00mA、7.00mA、8.00mA，通过调节实验仪各换向开关，在（，）、（，）、（，）、（，）四种测量条件下，分别测出、，计算出值，利用式计算出各B值，求其平均值。数据填表5-9。（霍尔片灵敏度值实验室给出。） 表5-9 实验数据记录参考表次数12345678=0.400（A）工作电流（mA）霍尔电（mV）压（+B，+I）（+B，-I）（-