霍尔效应 (3).doc

尝试网络系统，请按实验课交的打印版评分，有什么问题请老师直接在本报告上留言或修改，谢谢 实 验 报 告 19系 04级 姓名 王承乐 日期 05.10.10 台号 1号台 评分 实验题目: 霍尔效应 实验目的: 通过用霍尔元件测量磁场，判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，以及了解霍尔效应测试中的各种副效应及消除方法。 实验原理: 霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向)，当沿y方向的电极A、A’上施加电流I时，薄片内定向移动的载流子(设平均速率为u)受到洛伦兹力FB的作用， (1) 无论载流子是负电荷还是正电荷，的方向均沿着x方向，在磁力的作用下，载流子发生偏移，产生电荷积累，从而在薄片B、B’两侧产生一个电位差,形成一个电场E。电场使载流子又受到一个与方向相反的电场力， (2) 其中b为薄片宽度，随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时＝，即 (3) 这时在B、B’两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压称为霍尔电压，电极B、B’称为霍尔电极。 另一方面，设载流子浓度为n,薄片厚度为d,则电流强度I与u的关系为： 或 (4) 由(3)和(4)可得到 (5) 令 , 则 (6) 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。 在本实验中，B为已知量，，其中a为线圈的已知系数，则公式化为 霍尔效应实验中的副效应 在实际应用中，伴随霍尔效应经常存在其他效应。例如实际中载流子迁移速率u服从统计分布规律，速度小的载流子受到的洛伦兹力小于霍尔电场作用力，向霍尔电场作用力方向偏转，速度大的载流子受到磁场作用力大于霍尔电场作用力，向洛伦兹力方向偏转。这样使得一侧告诉载流子较多，相当于温度较高，而另一侧低速载流子较多，相当于温度较低。这种横向温差就是温差电动势VE，这种现象称为爱延豪森效应。这种效应建立需要一定时间，如果采用直流电测量时会因此而给霍尔电压测量带来误差，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延豪森效应来不及建立，可以减小测量误差。 此外，在使用霍尔元件时还存在不等位电动势引起的误差，这是因为霍尔电极B、B’不可能绝对对称焊在霍尔片两侧产生的。由于目前生产工艺水平较高，不等位电动势很小，故一般可以忽略，也可以用一个电位器加以平衡(图2.3.1-1中电位器R1)。 我们可以通过改变IS和磁场B的方向消除大多数副效应。具体说在规定电流和磁场正反方向后，分别测量下列四组不同方向的IS和B组合的VBB’,即 +B +I -B +I -B -I +B -I 然后利用得到霍尔电压平均值，这样虽然不能消除所有的付效应，但其引入的误差不大，可以忽略不计。 实验仪器: QS-H霍尔效应组合仪，小磁针，测试仪。 霍尔效应组合仪包括电磁铁，霍尔样品和样品架，换向开关和接线柱，如下图示。 测试仪由励磁恒流源IM，样品工作恒流源IS，数字电流表，数字毫伏表等组成，仪器面板如下图： 实验步骤: 1.将测试仪上IM输出，IS输出和VH输入三对接线柱分别与实验台上对应接线柱连接。打开测试仪电源开关，预热数分钟后开始实验。 2.保持不变，取，取1.00,1.50……,4.50mA(每隔0.5mA)，测-曲线，计算。 3.保持不变，取，取0.100,0.150……,0.450mA，(每隔0.05A),测绘-曲线，计算。 4.在零磁场下，取IS=0.1mA，测VB’C(即Vd)。 5.确定样品导电类型，并求。 数据处理: 1.时, (mA) (mV) (mV) 1.00 -3.49 3.49 -3.52 3.51 3.503 1.50 -5.24 5.24 -5.27 -5.27 5.255 2.00 -6.98 6.98 -7.02 -7.02 7.000 2.50 -8.72 8.72 -8.77 -8.77 8.745 3.00 -10.45 10.46 -10.51 -10.51 10.485 3.50 -12.20 12.20 -12.27 -12.27 12.235 4.00 -13.93 13.94 -14.02 -14.02 13.978 4.50 -15.65 15.66 -15.74 15.75 15.700 -曲线: ∴ ∴ 2.时， (mA) (mV) (mV) 0.10 -3.40 3.40 -3.41 3.41 3.405 0.15 -5.07 5.07 -5.13 5.13 5.100 0.20 -6.80 6.80 -6.91 6.91 6.855 0.25 -8.58 8.57 -8.65 8.65 8.613 0.30 -10.33 10.34 -10,44 10.45 10.390 0.35 -12.12 12.12 -12.19 12.20 12.158 0.40 -13.87 13.87 -13.97 13.97 13.920 0.45 -15.66 15.66 -15.74 15.74 15.700 -曲线: ∴ 3.当时, ∴ 4.判断霍尔元件类型 实验示意图如下： 可判断为电子导电 课后思考题： 1.若磁场不恰好与霍尔元件片底法线一致，对测量结果有何影响，如何用实验方法判断B与元件法线是否一致？ 答：若不一致则，带入公式，使得测得的R偏大。判断方法是看当电流正负反向时，和绝对值是否大致相等，如果在不同I值下均有||>||，或||<||，则考虑B与元件法线不一致。 2.若霍尔元件片的几何尺寸为4mm×6mm,即控制电流端距离为6mm,而电压两端距离为4mm,问此霍尔片能否测量截面积为5mm×5mm的气隙的磁场? 答:能,因为在电压端的距离在磁场内部,不影响载流子的偏转,而在电流端虽有1mm在磁场外,但其不参与产生霍尔效应,相当于一段导线,所以不影响,可以用来测量截面积为5mm×5mm的气隙的磁场 3.能否用霍尔元件片测量交变磁场? 答:能,由于霍尔效应建立的时间很短(约),因此使用霍尔元件可以测量交变磁场,只是使用交流电是,所得的霍尔电压也是交变的,式中的I和V应理解为有效值.