霍尔效应实验报告规划

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：年代日（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、实验数据办理与剖析六、怀疑、建议霍尔效应实验一实验目的和要求：1、认识霍尔效应原理及丈量霍尔元件相关参数.2、测绘霍尔元件的VHIs，VHIM曲线认识霍尔电势差VH与霍尔元件控制（工作）电流Is、励磁电流IM之间的关系。3、学习利用霍尔效应丈量磁感觉强度B及磁场散布。4、判断霍尔元件载流子的种类，并计算其浓度和迁徙率。、学惯用“对称互换丈量法”除去负效应产生的系统偏差。二实验原理：1、霍尔效应霍尔效应是导电资

2、猜中的电流与磁场互相作用而产生电动势的效应，z从实质上讲，霍尔效应是运动的带电Y粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引xB起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）A被拘束在固体资猜中，这类偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正lfEVV负电荷在不一样侧的积聚，进而形成附IS加的横向电场。fL如右图（1）所示，磁场B位于ZdB的正向，与之垂直的半导体薄片上沿LX正向通以电流Is（称为控制电流或图1工作电流），假定载流子为电子（N型半导体资料），它沿着与电流Is相反的X负向运动。因为洛伦兹力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侧形成电子累积，而相对的A侧形成正电荷累积。与此

3、同时运动的电子还遇到因为两种累积的异种电荷形成的反向电场力fE的作用。跟着电荷累积量的增添，fE增大，当两力大小相等（方向相反）时，fL=-fE，则电子累积便达到动向均衡。这时在A、B两头面之间成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=-eVB式中e为电子电量，V为电子漂移均匀速度，B为磁感觉强度。同时，电场作用于电子的力为fEeEHeVH/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Bcos都不大，所以不适合作霍尔元件。此当达到动向均衡时，fLfEVBVH/l（1）设霍尔元件宽度为l，厚

4、度为d，载流子浓度为n，则霍尔元件的控制（工作）电流为IsneVld（2）由（1），（2）两式可得1IsBIsB（3）VHEHlnedRHd即霍尔电压VH（A、B间电压）与Is、B的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比例系数RH1称为霍尔系数，它是反应资料霍尔效应强弱的重要参数，依据资料的电导ne率=ne的关系，还能够获得：RH/（4）式中为资料的电阻率、为载流子的迁徙率，即单位电场下载流子的运动速度，一般电子迁徙率大于空穴迁徙率，所以制作霍尔元件时大多采纳N型半导体资料。当霍尔元件的资料和厚度确准时，设KHRH/d1/ned（5）将式（5）代入式（3）中得VHKHIsB（6）式中KH称为元

5、件的敏捷度，它表示霍尔元件在单位磁感觉强度和单位控制电流下的霍尔电势大小，其单位是mV/mAT，一般要求KH愈大愈好。若需丈量霍尔元件中载流子迁徙率,则有VVL(7)EIVI将(2)式、(5)式、(7)式联立求得LISKH（8）lVI此中VI为垂直于IS方向的霍尔元件双侧面之间的电势差，分别为霍尔元件长度和宽度。因为金属的电子浓度n很高，所以它的RH或KH外元件厚度d愈薄，KH愈高，所以制作时，常常采纳减少以为d愈薄愈好，因为此时元件的输入和输出电阻将会增添，这对锗元件是不希望的。应该注意，当磁感觉强度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重量，此时EI为

6、由VI产生的电场强度，L、的方法来增添敏捷度，但不可以IVHVHKHIsBcos(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(2)VH=KHIsBcosKHIsB由式（9）可知，当控制（工作）电流Is或磁感觉强度B，二者之一改变方向时，霍尔VH的方向随之改；若二者方向同改，霍VH极性不。霍元件量磁的基本路如3，将霍元件置于待磁的相地点，并使元件平面与磁感HmvVH度B垂直，在其控制端入恒定的工作流Is，Is霍元件的霍出端接毫伏表，量霍VH的。三主要实验仪器：(3)1、ZKY-HS霍效包含磁、二移尺、三个向刀开关、霍元件及引。2、KY-HC霍效四实验内容：、研究霍效及霍

7、元件特征量霍元件敏捷度KH，算流子度n（做）。定霍元件的流子迁徙率。判断霍元件半体型（P型或N型）或许反推磁感度B的方向。研究VH与励磁流IM、工作（控制）流IS之的关系。2、量磁气隙中磁感度B的大小以及散布量必定IM条件下磁气隙中心的磁感度B的大小。量磁气隙中磁感度B的散布。五实验步骤与实验数据记录：1、器的接与将按指明供给方法接好，接通源。2、研究霍效与霍元件特征量霍元件敏捷度KH，算流子度n。（可做）。a.励磁流IM，使用特斯拉量此气隙中心磁感度B的大小。移二尺，使霍元件于气隙中心地点。c.Is=、（数据收集隔），的霍VH填入表（1），描ISVH关系曲，求得斜率K(K=V/I)。11HS

8、d.据式（6）可求得K，据式（5）可算流子度n。H定霍元件的流子迁徙率。a.Is=、（隔），的入降VI填入表4，描ISVI关系曲，求得斜率K（K=I/V）。22SIb.若已知KH、L、l，据（8）式能够求得流子迁徙率。判断霍元件半体型（P型或N型）或许反推磁感度B的方向依据磁包向及励磁流IM的流向，能够判断气隙中磁感度B的方向。依据向刀开关接以及霍IS出端引，能够判断IS在霍元件中的流向。依据向刀开关接以及霍VH入端引，能够得出VH的正与霍片上正荷累的关系由B的方向、IS流向以及VH的正并合霍片的引脚地点能够判断霍元件半体的型（P型或N型）。反之，若已知IS流向、VH的正以及霍元件半体的型，能

9、够判断磁感度B的方向。量霍VH与励磁流IM的关系霍元件仍位于气隙中心，Is=，重量霍VH填入表（2），并出IMIM-VH=100、2001000mA（隔100mA），曲，性关系的范，剖析当IM达到必定此后，IM-VH直斜率化的原由。3、量磁气隙中磁感度B的大小及散布状况量磁气隙中磁感度B的大小a.励磁流IM01000mA范内的某一数。b.移二尺，使霍元件于气隙中心地点。c.Is=、（数据收集隔），的霍VH填入表（1），描ISVH关系曲，求得斜率K1(K1=VH/IS)。将定的霍敏捷度KH及斜率K1代入式（6）可求得磁感度B的大小。（若室配有特斯拉，能够气隙中心B的大小，与算的B比。）观察气隙中

10、磁感度B的散布状况a.将霍元件置于磁气隙中心，IM=1000mA，Is=，量相的VH。将霍元件从中心向移每隔5mm一个点出相的VH，填入表3。c.由以上所VH，由式（6）算出各点的磁感度，并出B-X，示出气隙内B的散布状。了除去附带差惹起霍量的系差，一般按IM，Is的四种合量求其的均匀。五实验数据办理与剖析：1、丈量霍尔元件敏捷度K，计算载流子浓度n。H表1HSIM=800mAV-IV1（mV）V2（mV）V3（mV）V4（mV）V1V2IS（mA）-IM-Is+IM-IsVH+IM+Is-IM+Is依据上表，描述出ISVH关系曲线如VH右图。120100求得斜率K1，K1=80据式（6）可求

11、出K1，60本例中取铭牌上标明的KH=47,取实4020验指导说明书第3页上的d=2m0V3V44(mV)Is据式（5）可计算载流子浓度n05。2、丈量电磁铁气隙中磁感觉强度B的大小取IM=800mA，则可由B=K1/KH求出磁感觉强度B的大小3、观察气隙中磁感觉强度B的散布状况表3VH-XIM=1000mAIs=1015V1（mV）V2（mV）V3（mV）V4（mV）V1V2X(mm)VH+IM+Is-I+Is-I-Is+IM-Is051015202530V3V44(mV)由以上所测VH值，由式（6）计算出各点的磁感觉强度以下表：X(mm)051015202530VHBX依据上表，描述出B-

12、X关系曲线如右35图，可看出气隙内B的散布状态。3025201510500.004、测定霍尔元件的载流子迁徙率表4I-VISSmAI()IVV()依据上表，描述出ISVI关系曲线如右Is图。1210求得斜率K28已知KH、L、l（从实验指导说明书上可6查出），据（8）式能够求得载流子迁徙率。42。005、丈量霍尔电压VH与励磁电流IM的关系表2VH-ISIs=1234（mV）IM（mA）-IM+Is-IM-IsVH+IM+Is+IM-Is1002003004005006007008009001000依据上表，描述出IM-VH关系曲线如IM右图,由此图可考证线性关系的范围。1200剖析当IM达到

13、必定值此后，IM-VH1000800直线斜率变化的原由。6004002000B0.100.200.30VI50100150IsV1V2V3V4(mV)4VH050100150。6、实验系统偏差剖析丈量霍尔电势VH时，不行防止地会产生一些副效应，由此而产生的附带电势叠加在霍尔电势上，形成丈量系统偏差，这些副效应有：（1）不等位电势V0因为制作时，两个霍尔电势极不行能绝对对称地焊在霍尔片双侧（图5a）、霍尔片电阻率不均匀、控制电流极的端面接触不良（图5b）都可能造成A、B两极不处在同一等位面上，此时虽未加磁场，但A、B间存在电势差V0，此称不等位电势，V0IsV，V是两等位面间的电阻，因而可知，在

14、V确立的状况下，V0与Is的大小成正比，且其正负随Is的方向而改变。AA（2）爱廷豪森效应当元件的X方VOVO1向通以工作电流Is，Z方向加磁场B时，因为B霍尔片内的载流子速度BISISIS听从统计散布，有快有IS图5(a)图5(b)慢。在达到动向均衡时，在磁场的作用下慢速与迅速的载流子将在洛伦兹力和霍尔电场的共同作用下，沿y轴分别向相反的双侧偏转，这些载流子的动能将转变为热能，使双侧的温升不一样，因此造成y方向上的双侧的温差（TA-TB）。BzYxVVIVHV”fLB图6正电子运动均匀速度图中VVVV因为霍尔电极和元件二者资料不一样，电极和元件之间形成温差电偶，这一温差在A、B间产生温差电动

15、势VE，VEIB这一效应称爱廷豪森效应，VE的大小与正负符号与I、B的大小和方向相关，跟VH与I、的关系同样，所以不可以在丈量中除去。（3）伦斯脱效应因为控制电流的两个电极与霍尔元件的接触电阻不一样，控制电流在两电极处将产生不一样的焦耳热，惹起两电极间的温差电动势，此电动势又产生温差电流（称为热电流）Q，热电流在磁场作用下将发生偏转，结果在y方向上产生附带的电势差VH且VQB这一效应称为伦斯脱效应，由上式可知VH的符号只与B的方向相关。N（4）里纪勒杜克效应如（3）所述霍尔元件在X方向有温度梯度dT，惹起载流子沿梯度方向扩散而有热电dx流Q经过元件，在此过程中载流子受Z方向的磁场B作用下，在y方向惹起近似爱廷豪森效应的温差T-T，由此产生的电势差VHQB，其符号与B的的方向相关，与IS的方向没关。AB为了减少和除去以上效应惹起的附带电势差，利用这些附带电势差与霍尔元件控制（工作）电流IS，磁场B（既相应的励磁电流IM）的关系，采纳对称（互换）丈量法进行丈量。当IM，IS时VAB1VHV0VEVNVR当IM，IS时VAB2VHV0VEVNVR当IM，IS时VAB3VHV0VEVNVR当IM，IS时VAB4VHV0VEVNVR对以上四式作以下运算则得：1(VAB1VAB2VAB3VAB