第06课 霍尔效应研究设计性实验.pdfVIP

霍尔效应研究设计性实验 第 1 页 霍尔效应研究设计性实验 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场互相作用而产生电动势的效应。1879 年美国霍普 金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机构时发现了这种电磁现象，故称霍尔效应。后来曾 有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属的霍尔效应太弱而未能得到实际应 用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的 霍尔效应显著而得到实用和发展，现在广泛用于非电量检测、电动控制、电磁测量和计算 装置方面。在电流中的霍尔效应也是目前在研究中的 “磁流体发电”的理论基础。近年来， 霍尔效应实验不断有新发现。1980 年原西德物理学家冯·克利青（K.Von Klitzing）研究 二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领 域最重要的发现之一。 目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如 用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地的测量光谱精细结构常数等。 在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观 测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。 [实验目的] 1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数。 2、测绘霍尔元件的V -I ,V -I 曲线了解霍尔电势差V 与霍尔元件控制（工作）电 H s H M H 流I 、励磁电流I 之间的关系。 s M 3、利用霍尔效应测量磁感应强度 B 及磁场分布。 4、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。 5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 [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集， 从而形成附加的横向电场。 如右图（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（称为控制电 流或工作电流），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。 由于洛伦兹力ƒL 的作用，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 ƒE 的作用。随着电荷积累量的增加, ƒE 增大，当 两力大小相等（方向相反）时, CL=-CE，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压 VH。 设电子按均一速度 向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛伦兹力为ƒ =-eVB L 霍尔效应研究设计性实验 第 2 页 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ƒ =-Ee =-Ev /I E H H 式中EH为霍尔电场强度，V 为霍尔电压，I为霍尔元件宽度 H 当达到动态平衡时， ƒ =-ƒ VB=V /I (1) L E H 设霍尔元件宽度为 I，厚度为 d，载流子浓度为 n，则霍尔元件的控制（工作）电流为 I neVld