3-13霍尔效应应用.docVIP

物理实验报告 年级专业： 姓名： 学号： 组别： 一、实验名称：霍尔效应的应用 二、实验目的：1.了解霍尔效应原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 2.学习用对称测量法消除副效应的影响，测量试样的和曲线。 3.确定试样的导电类型、载流子浓度及迁移率。 三、实验器材：TH-H型霍尔效应实验组合仪(由实验仪和测试仪两大部分组成 四、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伦兹力作用而引起的偏转。由于带电粒子（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。 对于图中（a）所示的N型半导体试样，若在X方向通以电流，在Z方向加磁场，试样中载流子（电子）将受洛伦兹力=则在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型试样则沿Y方向。其一般关系可表示为 显然，该霍尔电场阻止载流子继续向侧面漂移。当载流子所受的横向电场力与洛伦兹力相等时，样品两侧电荷的累积就达到平衡，此时有（1） 其中为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度。 设试样的宽度为b，厚度为d，载流子浓度为n，则 （2） 由（1）、（2）得 （4） 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’两极之间的电压并不等于真实的值，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所谓对称测量法，基本上能够把副效应的影响从测量的结果中消除。具体做法是和B大小不变，并在设定电流和磁场的正、反方向后，依次测量由下列四组不同方向的和B组合的两点之间的电压,,,即 然后求上述四组数据,,,的代数平均值，可得 （5） 通过对称测量法求得的，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以忽略不计。 由（4）式可知霍尔电压（A、A’两极之间的电压）与乘积成正比，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，只要测出及知道、和d(m),可按下式计算霍尔系数 (6) （1）根据的符号（或霍尔电压的正、负）判断样品的导电类型。判断方法是按图所示的和B方向。若测得,(即A点的电位低于A’点的电位)则为负，样品属于N型，反之为P型。 （2）求载流子浓度。由可求出载流子浓度。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，如果考虑载流子的速率统计分布，需引入修正因子。 （3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率。电导率可以通过上图所示的A、C电极进行测量。设A、C间的距离为L=3.0mm，样品的横截面积为S=bd，流经样品的电流为,在零磁场下，若测得A、C间的电位差为，可由下式求得， 电导率与载流子浓度n以及迁移率之间有如下关系： 即,通过实验测出值即可得到。 根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率也较高）的材料。因为,就金属导体而言，和均很低，而不良导体高，但极小，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。半导体材料高，适中，是制造霍尔器件的较理想的材料。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的要高得多。就霍尔器件而言，其厚度是一定的，所以实用上才用 来表示器件的灵敏度，称为霍尔灵敏度。 五、实验步骤： 按上图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，表明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。 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，否则一旦通电，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，待开机数分钟后若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”。转动霍尔元件探杆支架的旋钮X、Y，慢慢将霍尔元件移到螺线管的中心位置。 （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＝0.6A），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＝3.00mA），测绘VH－Is曲线。 （5）测量Vσ值。将“VH、Vσ”切换开关投向Vσ侧，测试仪的“功能切换”置Vσ。 在零磁场下，取Is＝2.00mA，测量Vσ。 注意：Is取值不要过大，以免Vσ太大，毫伏表