霍尔效应的应用实验报告

名称 霍尔效应的应用名称 霍尔效应的应用 目的 目的 1 霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用 2 测绘霍尔元件的 VH Is VH IM曲线 了解霍尔电势差 VH与霍尔元件工 作电流 Is 磁场应强度 B 及励磁电流 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 学习用 对称交换测量法 消除负效应产生的系统误差 器材 器材 1 实验仪 1 电磁铁 2 样品和样品架 3 Is 和 IM 换向开关及 VH V 切换开关 2 测试仪 1 两组恒流源 2 直流数字电压表 原理 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 所示的半导体试样 若在 X 方向通以电流 在 Z 方向加磁场 H E S I 则在 Y 方向即试样 A A 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电B 场 电场的指向取决于试样的导电类型 对图所示的 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 N 0 型 型 YE YE H H 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 H E 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 H eEBve 1 BveeEH 其中为霍尔电场 是载流子在电流方向上的平均漂移速度 H Ev 设试样的宽为 b 厚度为 d 载流子浓度为 n 则 2 bdvneIS 由 1 2 两式可得 d BI R d BI ne bEV S H S HH 1 3 即霍尔电压 A A 电极之间的电压 与乘积成正比与试样厚度 H VBIS 成反比 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d ne RH 1 参数 只要测出 伏 以及知道 安 高斯 和 厘米 可按下式 H V S IBd 计算 厘米 3 库仑 RH 4 H R 8 10 BI dV S H 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 8 B 用单位而引入 由于产生霍尔效应的同时 伴随多种副效应 以致实测的霍尔电场间电压 不等于真实的 VH值 因此必需设法消除 根据副效应产生的机理 采用电流和 磁场换向的对称测量法基本上能把副效应的影响从测量结果中消除 具体的做 法是 Is 和 B 即 IM 的大小不变 并在设定电流和磁场的正反方向后 依次测 量由下面四组不同方向的 Is 和 B 即 IM 时的 V1 V2 V3 V4 1 Is B V1 2 Is B V2 3 Is B V3 4 Is B V4 然后求它们的代数平均值 可得 4 4321 VVVV VH 通过对称测量法求得的 VH 误差很小 另一方面 射载流子浓度为 n 薄片厚度为 d 则电流强度 I 与 u 的关系为 5 则可得到 6 令 则 bdnquI d IB nq V BB 1 nq R 1 d IB RV BB 7 R 称为霍尔系数 它体现了材料的霍尔效应大小 根据霍尔效应制作的元件 称为霍尔元件 在应用中 6 常以如下形式出现 8 式中称IBKV HBB nqdd R KH 1 为霍尔元件灵敏度 I 称为控制电流 可见 若 I KH已知 只要测出霍尔电压 VBB 即可算出磁场 B 的大小 并 且若知载流子类型 n 型半导体多数载流子为电子 P 型半导体多数载流子为空穴 则 由 VBB 的正负可测出磁场方向 反之 若已知磁场方向 则可判断载流子类型 由于霍尔效应建立所需时间很短 10 12 10 14s 因此霍尔元件使用交流电或 者直流电都可 指示交流电时 得到的霍尔电压也是交变的 I 和 VBB 应理解为 有效值 步骤 步骤 1 测量霍耳电压与工作电流的关系 H V S I 对测试仪进行调零 将测试仪的 调节 和 调节 旋钮均置零位 S I M I 待开机数分钟后若显示不为零 可通过面板左下方小孔的 调零 电 H V 位器实现调零 即 0 00 测绘 曲线 将实验仪的 切换开关投向侧 测试仪 H V S I H VV H V 的 功能切换 置 保持值不变 取 绘制 曲线 H V M I M I0 6A H V S I 2 测量霍耳电压与工作电流的关系 H V M I 实验仪与测试仪各开关位置同上 保持半导体的电流不变 取 S I S I 绘制 曲线 300mA H V M I 3 测量值 将切换开关 投向侧 功能切换 置 在零V H VV V V 磁场下 取 2 00mA 测量 S IV 4 确定样品的导电类型 将实验仪三组双刀开关均投向上方 即沿 X 方向 S I 沿 Z 方向 毫伏表测量电压为 取 2 00mA 0 6A 测量BVAA S I M I 大小及极性 判断样品导电类型 H V 5 求样品 n 值 H R 六 六 记录 记录 1 测绘曲线 保持 IM 0 6A IS 1 00 4 00mA 不变 在表格中记录霍 HS UI 尔电压 1 U mV 2 UmV 3 U mV 4 UmV S ImA S BI S BI S BI S BI 1234 4 H VVVV V 1 00 2 202 90 2 503 02 2 67 1 50 4 034 25 3 854 44 4 16 2 00 5 425 59 5 185 59 5 45 2 50 6 826 92 6 527 23 6 87 3 00 8 21 8 26 7 858 62 8 24 4 00 11 0210 94 10 5411 42 10 98 2 测绘曲线 保持 Is 3 00mA Im 0 300 0 800A 不变 在表格中记 HM UI 录霍尔电压 1 U mV 2 UmV 3 U mV 4 UmV Im A S BI S BI S BI S BI 1234 4 H VVVV V 0 3 4 094 13 3 734 52 3 12 0 4 5 495 50 5 105 87 5 49 0 5 6 846 88 6 487 30 6 88 0 6 8 238 27 7 878 63 8 25 0 7 9 589 63 9 229 99 9 61 0 8 10 9811 02 10 6211 39 11 00 测得 V 130 6mV Vh 5 40mV 七 七 数据处理 数据处理 1 根据数据表作出曲线图 Uh Is曲线图 12 10 8 6 4 2 0 012345 Uh mV Is mA Uh Is曲线图 2 在零磁场下 取 2 00mA 测出 130 6mV S IV 3 确定样品的导电类型 测出霍耳电压 5 40mV 0 故样品属 N 型 H V 4 求样品 n 值 H R 1 由分别求出表 1 2 的 再求出其平均值 0 1 HH H SSM V dVd R I BIX I A H R H R 得 H R 333333 3 6 16 106 16 106 14 106 16 106 14 106 16 10 6 15 10 6 H RVm AT 333333 3 6 02 105 96 105 99 106 0 106 03 106 09 10 6 02 10 6 H RVm AT 故 33 3 6 15 106 02 10 6 09 10 2 H R Vm AT 2 21 319 11 1 03 10 6 09 101 6 10 H nATV m C Re A A 3 22 06 S I L A Vm U S 4 31 6 09 1022 060 13 H RT 八 八 预习思考题 预习思考题 1 霍耳元件为什么要用半导体材料 而且要求做得很薄 霍尔电压是如何 产生的 答 半导体材料的迁移率高 电阻率适中 是制造霍耳器件较理想的材 料 2 工作电流和磁场为什么要换向 实际操作时如何实现 答 为了把产生霍耳效应的时候所伴随的副效应的影响从测量的结果中消除 Uh Im曲线图 12 10 8 6 4 2 0 00 20 40 60 81 Uh mV Im A Uh Im曲线图 实际操作时通过切换实验仪三组双刀开关改变电流和磁场的方向 3 回答 分别表示什么含义 的作用分别是什 S I M I H UU S I M I 么 答 表示样品工作电流 表示励磁电流 表示存在磁场时的霍耳电 S I M I H U 压 表示在零磁场下的霍耳电压 的作用是改变电流大小和方向 的作U S I M I 用是改变磁场的大小及方向 4 霍耳效应有哪些应用 答 在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有 在分电器上作信号传感器 ABS 系统中的速度传感器 汽车速度表和里程表 液体物理量检测器 各种用电负载 的电流检测及工作状态诊断 发动机转速及曲轴角度传感器 九 操作后思考题 九 操作后思考题 1 如何精确测量霍耳电压 本实验采用什么方法消除各种附加电压 答 设法消除产生霍尔效应时伴随的多种副效应 本实验采用电流和磁场换 向的所谓对称测量法 2 磁场不恰好与霍耳片的法线一致 对测量结果有何影响 答 磁场不与霍尔片垂直 只有其法向分量能起作用 即霍尔片产生的霍尔 电压会减小 3 能否用霍耳元件片测量交变磁场 若能 怎样测量 答 能 4 如何根据和的方向 判断所测样品为 N 型半导体还是 P 型半导体 IB H V 答 先设定和的参考正方向 例如设定从左向右为正 垂直纸IB H VIB 面向内为正 正电荷向上偏转 则从下向上为正 然后将测量仪器按参考正方 H V 向连接 电流表要左边接红表笔 右边接黑表笔 电压表要下表面接红表笔 上 表面接黑表笔 然后将均调为正 观察电压表的正负 根据 如果IB UKIB 电压表为负数 则灵敏度 电子导电 N 型半导体 如果电压表为正数 0K 空穴导电 P 型半导体 0K 5 请根据欧姆定律推导出 电导率为电阻率的倒数 s I