霍尔效应实验详解.pptVIP

霍尔效应实验 实验目的 1、了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识； 2、研究霍尔电压 与工作电流 及霍尔电压 与励磁电流 之间的关系；（即 ， ） 3、掌握用作图法求霍尔系数 的方法，由 符号或霍尔电压的正负判断样品的导电类型,并求出载流子浓度; 4、学习一种消除系统误差的方法——对称测量法。 实验原理1.霍尔效应 如果将一块金属或半导体材料垂直放在磁场中，在垂直于磁场方向上通以电流 ,则在垂直于电流和磁场方向上导体的两侧会产生一个电势差，这种现象称为霍尔效应。 这个效应是1879年美国霍普金斯大学的研究生霍尔在研究金属导电机构时发现了这种电磁现象，后来被称为霍尔效应。 霍尔效应不仅是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且随着电子技术的发展，利用霍尔效应制成的器件已广泛地用于非电量的测量，如温度、压力等等，还有自动化控制和信息处理等领域。 霍尔效应的出现是由于导体（或半导体）中的载流子（形成电流的的运动电荷）在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生的横向漂移的结果。 若用一块如图所示的N型半导体试样（导电的载流子是电子）设试样的长度为 、宽度为 ，厚度为 ，若在 方向通过电流 ，电子电荷以速度 向左运动。 若电子的电荷量为 ，自由电子浓度为 ，则 若在 轴方向加上恒定的磁场 ，电子电荷在沿 轴负方向运动时将受到洛伦兹力的作用，洛伦兹力用 表示： （1） （2） + + + + + + + + — — — — — — — — 由于洛伦兹力的作用，使得电子将沿 的方向向下侧偏移（即 轴的负方向），这样就引起了 侧电子的积累， 侧正电荷的积累，从而使两侧出现电势差，且 点高于 点，所以在试样中形成了横向电场 ， 这一电场就称为霍尔电场。该电场又对电子具有反方向的静电力。 （3）（此力方向向上） 电子受到电场力 和磁场力 的作用，一方面使电子向下偏移，另一方面电子又受到向上的阻碍电子向下偏移的力。由于这两个力的作用所以电子在半导体试样侧面的积累不会无限止地进行下去：在开始阶段，电场力比磁场力小，电荷继续向侧面积累，随着积累电荷的增加，电场力不断增加，直到电子所受的电场力和磁场力相等，即 时，电子不再横向漂移，结果在 、 两面形成恒定的电势差 叫霍尔电势差。 即 （4） （5） （6） （7） 由固体物理理论可以证明金属的霍尔系数为 式中 为载流子浓度， 为载流子所带的电量。 是一常量，仅与导体材料有关，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数 由（6）（7）式得 由此可以定义霍尔元件的灵敏度 （8） （9） （10） 可见，只要测出霍尔电势差 和工作电流 ，就可以求出磁感应强度 。 当给定 ，改变 时可得到 ， 呈线性关系，直线斜率就是 。由公式（9）可求得 由 可以确定以下参数 ： ①导电类型 如图： 由于运动电荷受到洛伦兹力的作用，使其S侧积累负电荷，P侧积累正电荷，因此电势差是P点高于S点， 则 为N型半导体。 + + + + + + — — — — — — p型半导体导电载流子为空穴，空穴相当于带正电的粒子，带正电粒子其运动方向和电流运动方向相同，如图所示： 带正电的粒子在洛伦兹力作用下，其正电荷向下偏移，上侧积累了负电荷，形成下高上低的电势差。这时， 则 ，所以是p型半导体。 + + + + + + — — — — — — ②求载流子浓度