大学物理仿真实验-霍尔效应

仿真实验（霍尔效应）------霍尔效应1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。（1）实验原理

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的作用而引起的偏转。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。如下图(1)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（称为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材料），它沿着与电流Is相反的X负向运动。由于洛仑兹力fL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。随着电荷积累的增加，fE增大，当两力大小相等（方向相反）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势VH。设电子按平均速度，向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛仑兹力为：fL=－eB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：

fEl

图(1)

霍尔效应原理式中：EH为霍尔电场强度，VH为霍尔电势，l为霍尔元件宽度当达到动态平衡时:

fL=－fE

B=VH/l

（1）设霍尔元件宽度为，厚度为d，载流子浓度为n，则霍尔元件的工作电流为由(1)、(2)两式可得：

(3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，比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出（伏），以及（安），（高斯）和（厘米）可按下式计算（厘米3/库仑）。实验计算时，采用以下公式：

(4上式中108是单位换算而引入。根据可进一步求载流子浓度：

(5

应该指出，这个关系式是假定所以的载流子都具有相同的漂移速度得到的，严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入修正因子。

所以实际计算公式为：

(6根据材料的电导率的关系，还可以得到或(7)式中：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连，黑接线柱与黑接线柱对应相连）。2、将DH4512霍尔效应测试仪面板左下方供给元件工作电流IS的直流恒流源（0～5mA）输出端，接DH4512霍尔效应实验仪上霍尔片工作电流IS输入端（将红接线柱与红接线柱对应相连，黑接线柱与黑接线柱对应相连）。3、DH4512霍尔效应实验仪DH4512霍尔效应测试仪四．测量霍尔电压VH与工作电流Is的关系1）先将Is，IM都调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为0mV。2）将霍尔元件移至线圈中心，调节IM=500mA，调节Is=1.00mA,按表中Is，IM正负情况切换方向，分别测量霍尔电压VH值（V1，V2，V3，V4）填入表中。以后Is每次递增0.50mA，测量各V1，V2，V3，V4值。绘出Is—VH曲线，验证线性关系。五．测量霍尔电压VH与励磁电流IM的关系1）

先将Is调节至3.00mA，2）

调节IM=100、150、200……500mA(间隔为50mA),分别测量霍尔电压VH值填入表中的值。3）

根据表中所测得的数据，绘出IM—VH曲线，验证线性关系的范围。六．测量线圈中磁感应强度B的分布

1）先将IM，Is调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为0mV。

2）将霍尔元件置于线圈中心，调节IM＝500mA，调节IS＝3.00mA，测量相应的VH。3）将霍尔元件从中心向边缘移动每隔5mm选一个点测出相应的VH，填入表中。4）由以上所测VH值，由公式：VH＝KHISB

B＝计算出各点的磁感应强度。四实验注意事项

1、霍尔电势VH测量的条件是霍尔元件平面与磁感应强度B垂直，此时VH取得最大值，仪器在组装时已调整好，为防止搬运，移动中发生的位移，实验前应将霍尔元件传感器盒移至线圈中心，使其在IM、IS相同时，达到输出VH最大

2、为了不使通电线圈过热而受到损害，或影响测量精度，除在短时间内读取有关数据，通过励磁电流IM外，其余时间最好断开励磁电流开关。五实验结果数据处理保持Is=4.50mA不变，测绘Vh-Im曲线测量当Is正（反）向时，Im正向和反向时Vh的值，如下表：调节励磁电流IS/mA0.050.100.150.200.250.300.350.400.45IS正向B正向VH/mV-1.48-3.22-5.01-6.79-8.57-10.33-12.14-13.95-15.74B反向VH/mV2.033.795.597.389.1710.9312.7414.5516.34IS反向B正向VH/mV-2.03-3.79-5.59-7.38-9.17-10.92-12.74-