霍尔实验报告

1 / 9霍尔实验报告大 学本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 日实验名称一、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 VH?Is，VH?IM 曲线了解霍尔电势差 VH 与霍尔元件控制电流 Is、励磁电流 IM 之间的关系。3、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。2 / 9二实验原理：1、霍尔效应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 Is，假设载流子为电子，它沿着与电流 Is 相反的 X 负向运动。由于洛伦兹力 fL 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 fE 的作用。随着电荷积累量的增加，fE 增大，当两力大小相等时，fL=-fE，则电子积累便达到动态平衡。这时在 A、B 两端面之间建立的电场称为霍尔电场 EH，相应的电势差称为霍尔电压 VH。设电子按均一速度向图示的 X 负方向运动，在磁场B 作用下，所受洛伦兹力为fL=-eB3 / 9式中 e 为电子电量，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 fE?eEH?eVH/l 式中 EH 为霍尔电场强度，VH 为霍尔电压，l 为霍尔元件宽度当达到动态平衡时，fL?fE?VH/l 设霍尔元件宽度为 l，厚度为 d，载流子浓度为 n，则霍尔元件的控制电流为 Is?ne 由，两式可得 VH?EHl?IB1IsB?RHs nedd即霍尔电压 VH 与 Is、B 的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比例系数 RH?1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 ne率 =ne 的关系，还可以得到：RH?/? 式中?为材料的电阻率、 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 型半导体材料。 当霍尔元件的材料和厚度确定时，设 KH?RH/d?1/ned 将式代入式中得 VH?KHIsB 4 / 9式中 KH 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尔电势大小，其单位是mV/mA?T，一般要求 KH 愈大愈好。若需测量霍尔元件中载流子迁移率 ,则有?L?EIVI将式、式、式联立求得?KH?LIS? lVI其中 VI 为垂直于 IS 方向的霍尔元件两侧面之间的电势差，EI 为由 VI 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 RH 或 KH 都不大，因此不适宜作霍尔元件。此外元件厚度 d 愈薄，KH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，作用在元件上的有效磁场是其法线方向上的分量Bcos?，此时VH?KHIsBcos?5 / 9所以一般在使用时应调整元件两平面方位，使 VH达到最大，即 =0，图VH=KHIsBcos?KHIsB由式可知，当控制电流 Is 或磁感应强度 B，两者之一改变方向时，霍尔电压 VH 的方向随之改变；若两者方向同时改变，则霍尔电压 VH 极性不变。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 Is，霍尔元件的霍尔电压输出端接毫伏表，测量霍尔电势 VH 的值。三主要实验仪器：1、 ZKY-HS 霍尔效应实验仪图包括电磁铁、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。 测定霍尔元件的载流子迁移率 。 判定霍尔元件半导体类型或者反推磁感应强度6 / 9B 的方向。 研究 VH 与励磁电流 IM、工作电流 IS 之间的关系。 2、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 IM 条件下电磁铁气隙中心的磁感应强度 B 的大小。 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。 。a. 调节励磁电流 IM 为，使用特斯拉计测量此时气隙中心磁感应强度 B 的大小。 b. 移动二维标尺，使霍尔元件处于气隙中心位置。c. 调节 Is=?、 ，记录对应的霍尔电压 VH 填入 表，描绘 ISVH 关系曲线，求得斜率 K1。 d. 据式可求得KH，据式可计算载流子浓度 n。 测定霍尔元件的载流子迁移率 。a. 调节 Is=?、 ，记录对应的输入电压降 VI 填入表4，描绘 ISVI 关系曲线，求得斜率 K2。 b. 若已知KH、L、l，据式可以求得载流子迁移率 。7 / 9大学物理实验报告)霍尔效应参考实验报告附带结论实验目的1.了解霍尔效应实验原理。2.测量霍尔电流与霍尔电压之间的关系。 3.测量励磁电流与霍尔电压之间的关系。 4.学会用“对称测量法”消除负效应的影响。实验仪器霍尔效应实验仪。 实验步骤1.正确连接电路，调节霍尔元件处于隙缝的中间位置。2.测量不等位电势。令励磁电流 IM=0mA，霍尔电流IH=， ，?， ，测量霍尔元件的不等位电势随霍尔电流的对应关系。2.测量霍尔电流 IH 与霍尔电压 UH 的关系。令励磁电流 IM=400mA,调节霍尔电流 IH=， ，?， ，分别改变励磁电流和霍尔电流的方向，记录对应的霍尔电压。 3.测量励磁电流 IM 与霍尔电压 UH 的关系。令霍尔电流 IH=，调节励磁电流 IM=， ，?， ，分别改变励磁电流和霍尔电流的方向，记录对应的霍尔电压。实验数据记录及处理 测量不等位电压8 / 9测量霍尔电流和霍尔电压的关系测量励磁电流和霍尔电压的关系实验结论1、 当励磁电流 IM=0 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。 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。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。3. 仪器开机前应将 IM、IH 调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小