霍尔效应及其应用

1、精选优质文档-倾情为你奉上霍尔效应及其应用置于磁场中地载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场地方向会产生一附加地横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现地，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地主要手段，而且利用该效应制成地霍尔器件已广泛用于非电量地电测量、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地今天，作为敏感元件之一地霍尔器件，将有更广泛地应用前景.掌握这一富有实用性地实验，对日后地工作将有益处.【实验目地】了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求地知识.学习用“对称测量法”消除副效应地影响，测量试样地VH-IS和V

2、H-IM曲线.确定试样地导电类型、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）ab1霍尔效应霍尔效应从本质上讲是运动地带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起地偏转.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地聚积，从而形成附加地横向电场，即霍尔电场.如图15-1所示地半导体试样，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/ 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应地附加电场.电场地指向取决于试样地导电类型.对图15-1（a）所示地N型试样，霍尔电场逆Y方向，

3、（b）地P型试样则沿Y方向.即有b5E2RGbCAP显然，霍尔电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受地横向电场力与洛仑兹力相等，样品两侧电荷地积累就达到动态平衡，故p1EanqFDPw（15-1） 其中为霍尔电场，是载流子在电流方向上地平均漂移速度.设试样地宽为b，厚度为d，载流子浓度为n ，则 (15-2)由（15-1）、（15-2）两式可得： (15-3)即霍尔电压（A 、A电极之间地电压）与乘积成正比与试样厚度成反比.比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱地重要参数.只要测出（伏）以及知道（安）、（高斯）和（厘米）可按下式计算（厘米3库仑）：DXDiTa9E3dRH （15

4、-4） 上式中地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实用单位而引入.2霍尔系数与其它参数间地关系根据可进一步确定以下参数： （）由地符号（或霍尔电压地正负）判断样品地导电类型.判别地方法是按图15-1所示地I和B地方向，若测得地即点点电位高于点地电位，则为负，样品属N型；反之则为P型.RTCrpUDGiT （）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子都具有相同地漂移速度得到地，严格一点，如果考虑载流子地速度统计分布，需引入地修正因子（可参阅黄昆、谢希德著半导体物理学）.5PCzVD7HxA（3）结合电导率地测量，求载流子地迁移率.电导率与载流子浓度

5、n以及迁移率之间有如下关系： (15-5)即，测出值即可求.3霍尔效应与材料性能地关系根据上述可知，要得到大地霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率亦较高）地材料.因，就金属导体而言，和均很低，而不良导体虽高，但极小，因而上述两种材料地霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件.半导体高，适中，是制造霍尔元件较理想地材料，由于电子地迁移率比空穴迁移率大，所于霍尔元件多采用N型材料，其次霍尔电压地大小与材料地厚度成反比，因此薄膜型地霍尔元件地输出电压较片状要高得多.就霍尔器件而言，其厚度是一定地，所以实用上采用来表示器件地灵敏度，称为霍尔灵敏度，单位为.jLBHrnAILg4实验方法 (

6、1）霍尔电压地测量方法值得注意地是，在产生霍尔效应地同时，因伴随着各种副效应，以致实验测得地、两极间地电压并不等于真实地霍尔电压值，而是包含着各种副效应所引起地附加电压，因此必须设法消除.根据副效应产生地机理可知，采用电流和磁场换向地对称测量法，基本上能把副效应地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地和组合地（、两点地电位差）即：xHAQX74J0X，然后求、和地代数平均值. （15-） 通过上述地测量方法，虽然还不能消除所有地副效应，但其引入地误差不大，可以略而不计.(2)电导率地测量可以通过图15-所示地、（或A/、）电极进行测量，设、间地距离

7、为，样品地横截面积为，流经样品地电流为，在零磁场下，若测得A、C间地电位差为（即），可由下式求得：LDAYtRyKfE（15-7）【实验仪器】型霍尔效应实验组合仪.【实验内容】1掌握仪器性能，连接测试仪与实验仪之间地各组连线（1）开关机前，测试仪地“IS调节”和“IM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地双刀开关之间地连线已由制造厂家连接好，请勿再动！严禁将测试仪地励磁电源“IM输出”误接到实验仪地“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

8、，A、C或A/、C/用于测量电导，D、E为样品工作电流电极.样品地几尺寸为：d=0.5mm ,b=4.0mm ,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轴方向地高度，以免霍尔片与磁极面磨擦而受损.Zzz6ZB2Ltk（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”.dvzfvkwMI1（4）置“测量选择”于IS挡（放键），电流表所示

9、地值即随“IS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增大而增大，IS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.rqyn14ZNXI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“IM调节”旋钮，电流表变化范围为0-1A.此时值随IM增大而增大，IM换向，极性改号（其绝对值随IM 流向不同而异，此乃副效应而致，可通过“对称测量法”予以消除）.至此，应将“IM调节”旋钮置零位（即逆时针旋到底）.EmxvxOtOco （6）放开测量选择键，再测，调节，然后将“输出”切

10、换开关倒向-侧，测量电压（电极间电压）；换向，亦改号.这些说明霍尔样品地各电极工作均正常，可进行测量.将“输出”切换开关恢复一侧.SixE2yXPq52测绘曲线将测试仪地“功能切换”置，及换向开关掷向上方，表明及均为正值（即沿X轴方向，沿Y轴方向）.反之，则为负.保持值不变（取0.600A），改变地值，取值范围为.将实验测量值记入表一中.6ewMyirQFL3测绘曲线保持值不变（取3.00mA），改变地值，取值范围为.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2.00mA，测量（即）.注意：取值不要大于，以免过大使毫伏表超量程（此时首位数码显示为1，后三位

11、数码熄灭）.和通过功能切换开关由同一只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.当显示器地数字前出现“”时，被测电压极性为负值.kavU42VRUs5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，毫伏表测量电压为.取，测量大小及极性，由此判断样品导电类型.y6v3ALoS896求样品地和值附录：霍尔器件中地副效应及其消除方法1不等势电压图15-3 不等势电压这是由于测量霍尔电压地电极和A/位置难以做到在一个理想地等势面上，因此当有电流通过时，即使不加磁场也会产生附加地电压，其中r为、A/所在地两个等势面之间地电阻（如图32-3 所示）.地符号只与电流地方向

12、有关，与磁场地方向无关，因此，可以通过改变地方向予以消除.M2ub6vSTnP2温差电效应引起地附加电压图15-4 温差电效应引起地附加电压如图32-4所示，由于构成电流地载流子速度不同，若速度为地载流子所受地洛仑兹力与霍尔电场力地作用刚好抵消，则速度大于或小于地载流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，由此产生地温差电效应.在电极上引入附加电压，且，其符号与和地方向关系跟是相同地，因此不能用改变和方向地方法予以消除，但其引入地误差很小，可以忽略.0YujCfmUCw图15-5 热磁效应直接引起地附加电压3热磁效应直接引起地附加电压图15-6 热磁效应产生地温差引起地

13、附加电压因器件两端电流引线地接触电阻不等，通电后在接触点两处将产生不同地焦尔热，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，相应地电压，而地符号只与地方向有关，与地方向无关.因此可通过改变地方向予以消除.eUts8ZQVRd4热磁效应产生地温差引起地附加电压如上所述地X方向热扩散电流，因载流子地速度统计分布，在Z方向地作用下，和2中所述同理将在Y方向产生温度梯度，由此引入地附加电压，地符号只与地方向有关，亦能消除之.sQsAEJkW5T 综上所述, 实验中测得地、之间地电压除外还包含和各个电压地代数和，其中均

14、可以通过和换向对称测量法予以消除.GMsIasNXkA设定电流和磁场地正方向，即当时，测得、之间地电压：当时，测得、之间地电压：当时，测得、之间地电压：当时，测得、之间地电压：求以上四组数据地代数平均值，可得由于符号与两者方向关系和是相同地，故无法消除，但在电流和磁场较小时，因此，可略去不计，所以霍尔电压为TIrRGchYzg版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.版权为个人所有This article includes some parts, including text, pictures, and design. Copyright is personal own

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