2023年实验报告霍尔效应原理及其应用.docx

实验报告--霍尔效应原理及其应用 篇一：霍尔效应的应用实验报告 霍尔效应法测量空间的磁场 实验者：沐俊峰 同组实验者：周俊汀 指导教师：尹会听 （班级:A12储运1 学号:120701113 联系号:18058043679） 【】 通过对利用霍尔效应测磁场实验的原理、过程、及实验数据的处理进行分析，得 出本实验误差的主要来源，并对减小误差提出切实可行的方法及本卷须知，其中重点介绍利用对称测量法处理数据以减小误差的方法。 【关键词】霍尔效应 误差分析 对称测量法 一、 引言 自1879年霍尔效应被发现以来，它在测量方向得到了广泛的应用，其中测螺线管轴线上的磁场是十分重要的一个方面。但是在测量中，总会产生各种各样的副效应，这些副效应带来了一定的测量误差，有些副效应的影响可与实测值在同一数量级，甚至更大。因此在实验中如何消除这些副效应成为很重要的问题。本文分析了霍尔效应测磁场的误差来源，并提出了减小误差应采取的措施及一些本卷须知。 二、 设计原理 ①、实验目的 1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。 3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。 ②、实验仪器 1．TH－H型霍尔效应实验仪，主要由规格为>3.00kGS/A电磁铁、N型半导体硅单晶切薄片式样、样品架、IS和IM换向开关、VH和Vσ（即VAC）测量选择开关组成。 2．TH－H型霍尔效应测试仪，主要由样品工作电流源、励磁电流源和直流数字毫伏表组成。 ③、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的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。对于图（1）（a）所示的N型半导体试样，假设在X方向的电极D、E上通以电流Is，在Z方向加磁场B，试样中载流子（电 子）将受洛仑兹力： （1） Fge v B 2．学习用“对称测量法〞消除副效应的影响，测量并绘制试样的VH－IS和VH－IM曲线。 （a） （b） 图(1) 霍尔效应示意图 那么在Y方向即试样A、A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场---霍尔电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对N型试样，霍尔电场逆Y方向，P型试样那么沿 Y方向，其一般关系可表示为 显然，该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力 eEH 与洛伦兹力 FE相等时，样品两侧电荷的积累就到达平衡，此时有 FE=eEH （2） 其中EH为霍尔电场强度，是载流子在电流方向上的平均漂移速率。 设试样的宽度为b，厚度为d，载流子浓度为n，那么 （3） Isnebd 由（2）、（3）两式可得 VHEHb IB1ISB RHS neddd（4） 在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的A、A′两电极之间的电压并不等于真实的VH值，而是包含着各种副效应引起的附加电压，因此必须设法消除。根据副效应产生的机理可知，采用电流和磁场换向的对称测量法，根本上能够把副效应的影响从测量的结果中消除，具体的做法是Is和B的大小不变，并在设定电流和磁场的正、反方向后，依次测量由以下四组不同方向的Is和B组合的两点之间的电压V1、V2、V3、和V4 ，即 +Is，+B，V1 +Is，-B，V2 -Is，-B，V3 -Is，+B，V4 然后求上述四组数据V1、V2、V3和V4 的代数平均值，可得： VH(mV)（5） 4 通过对称测量法求得的VH，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以略而不计。 V1V2V3V4 由式（4）可知霍尔电压VH（A、A′电极之间的电压）与IsB乘积成正比，与试样厚度d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VH（V）以及知道IsR（B（T）和d（m）可按下式计算RH霍尔系数 H 1 n e RH VHd （6） ISB 根据RH可进一步确定以下参数: (1)由RH 的符号（或霍尔电压的正、负）判断试样的导电类型。判断的方法是按图（1）所示的Is和B的方向，假设测得的VH＝VAA＇＜0，（即点A的电位低于点A′的电位）那么RH 为负，样品属N型，反之那么为P型。 (2)求载流子浓度。由n 1RHe 可求出载流子浓度。应该指出，这个关系式是假定所有 的载流子都具有相同的漂移速率得到的，如果考虑载流子的漂移速率服从统计分布规律，需引入修正因子3π/8。 （3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率μ。电导率σ可以通过图（a）所示的A、C电极进行测量。设A、C间的距离L=3.00mm,样品的横截面积为S=bd,流经样品的电流为Is，在零磁场下，假设测得A、C间的电位差为Vσ，可由下式求得σ， IsL （7） VS 电导率σ与载流子浓度n以及迁移率μ之间有如下关系： σ＝n eμ （8） 即μ＝|RH|σ，通过实验测出σ值即可求出μ。 根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率μ高、电阻率ρ亦较高）的材料。因|RH|＝μρ，就金属导体而言，μ和ρ均很低，而不良导体ρ虽高，但μ极小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件。半导体μ高，ρ适中，是制造霍尔器件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔器件都采用N型材料，又由于霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此，薄膜型的霍尔器件的输出电压较片状要高得多。就霍尔元件而言，其厚度是一定的，所以实用上采用 1 KH（9） n e d 来表示霍尔元件的灵敏度，KH称为霍尔元件灵敏度。 三、 实验方案 (1) 按图（2）连接测试仪和实验仪之间相应的Is、VH和IM各组连线，Is及IM 换向开关投向上方，说明Is及IM均为正值（即Is沿X方向，B沿Z方向），反之为负值。VH、Vσ切换开关投向上方测VH，投向下方测Vσ（样品各电极及线包引线与对应的双刀开关之间连线已由制造厂家连接好）。 图（2） 霍尔效应实验仪示意图 接线时严禁将测试仪的励磁电源“IM输出〞误接到实验仪的“Is输入〞或“VH、Vσ输出〞处，否那么一旦通电，霍尔元件即遭损坏！ （2）对测试仪进行调零。将测试仪的“Is调节〞和“ IM调节〞旋钮均置零位，待开机数分钟后假设VH显示不为零，可通过面板左下方小孔的“调零〞电位器实现调零，即“0.00〞。 （3）测绘VH－Is曲线。将实验仪的“VH、Vσ〞切换开关投向VH侧，测试仪的“功能切换〞置VH。保持IM值不变（取IM＝0.4A），测绘VH－Is曲线。 (4) 测绘VH－Im曲线。实验仪及测试仪各开关位置同上。保持Is值不变，（取Is＝2.00mA），测绘VH－Is曲线。 （5）测量Vδ值。将“VH、Vσ〞切换开关投向Vδ侧，测试仪的“功能切换〞置在零磁场下，取Is＝2.00mA，测量Vδ。注意：Is取值不要过大，以免Vσ太大，毫伏表超量程（此时首位数码显示为1，后三位数码熄灭）。 （6）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Is沿X方向，B沿Z方向，毫伏表测量电压为VAA′。取Is＝2mA，IM＝0.6A，测量VH大小及极性，判断样品导电类型。 四、 数据记录与处理 1.实验条件 室温=15℃ N型霍尔片的厚度d=0.10mm; 线径=0.67mm 线圈匝数N=1500T; UO=-0.2mV SH =12mV/mAxKG; Rin=148Ω Rout=154Ω; 2.实验数据参考表 （1）测绘VH－IS曲线，数据记录如下 其中电流范围：IM＝0.4A 霍 尔 效 应 图形如下(横坐标为IS/mA,纵坐标为VH/mV) 其中电流范围：Is＝2.00mA 图形如下(横坐标为IM/mA,纵坐标为VH/mV) 篇二：报告模版 1霍尔效应及其应用 深 圳 大 学 实 验 报 告 实验名称： 学院： 组号： 指导教师： 报告人： 实验地点 实验时间：年 月 日 星期 实验报告提交时间： 1 2 3 4 5 篇三：霍尔效应及其应用实验报告 霍尔效应及其应用实验报告 一、实验名称： 霍尔效应原理及其应用 二、实验目的： 1、了解霍尔效应产生原理； 2、测量霍尔元件的 螺线管的励磁电流VHIs、VHIm曲线，了解霍尔电压VH与霍尔元件工作电流Is、直Im间的关系； 3、学习用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法，测量长直螺旋管轴向磁感应强度B及分布； 4、学习用对称交换测量法（异号法）消除负效应产生的系统误差。 三、仪器用具：YX-04型霍尔效应实验仪（仪器资产编号） 四、实验原理： 1、霍尔效应现象及物理解释 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fB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于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图１所示。 半导体样品，假设在ｘ方向通以电流Is，在ｚ方向加磁场B，那么在ｙ方向即样品Ａ、Ａ′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的电场EH，电场的指向取决于样品的导电类型。显然， 当载流子所受的横向电场力fEfB时电荷不断聚积，电场不断加强，直到fEfB样品两侧电 VH。 荷的积累就到达平衡，即样品Ａ、Ａ′间形成了稳定的电势差（霍尔电压） 设EH为霍尔电场，v是载流子在电流方向上的平均漂移速度；样品的宽度为b，厚度为d，载流子浓度为n，那么有： Isnevbd 因为 （1－1） fEeEH，fBevB，又根据fEfB，那么 其中VHEHbIB1IsBRHsnedd （1－2） RH1/(ne)称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出VH、B Is3R(m/c)： dH以及知道和，可按下式计算 RH VHdIsB （1－3） （1—4） KHUH/ISB KH为霍尔元件灵敏度。根据ＲH可进一步确定以下参数。 （１）由VH的符号（霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判别的方法是按图１所示的Is和B的方向（即测量中的＋Is，＋B），假设测得的VH＜０（即Ａ′的电位低于Ａ的电位），那么样品属Ｎ型，反之为Ｐ型。 （２）由VH求载流子浓度n，即n1/(KHed)。应该指出，这个关系式是假定所有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3/8的修正因子（可参阅黄昆、谢希德著半导体物理学）。