霍尔效应实验报告

霍尔效应实验报告包含：实验目的、实验仪器设备、实验的基本构思和原理、实验数据记录及处理、实验结论、注意事项等。

1、目的与要求：

（1）了解霍尔效应测量磁场的原理和方法；

（2） 观察磁电效应现象；

（3） 学会用霍尔元件测量磁场及元件参数的基本方法。

2、仪器与装置：霍尔效应实验仪；

3、原理：根据霍尔效应，测量磁感应强度原理，利用提供的仪器测试所给模型测量面上的一维（上下方向）磁分布。

扩展资料

内容及步骤：

1、仪器调整：

（1）按图连接、检查线路，并调节样品支架，使霍尔片位于磁场中间；

（2）逆时针将、调节旋钮旋至最小；　

（3）分别将输出、输出接至实验仪中、换向开关；

（4）用导线将、输入短接，通过调零旋钮将、显示调零；

（5）选择、向上关闭为、的正方向。

2、 测量内容：

（1）测绘曲线：保持不变，按要求调节，分别测出不同下的四个值，将数据记录在表格中；

（2）测绘曲线：保持不变，测出不同下四个值；

（3）测VAC：取，在零磁场下（）测，则VAC=10；

（4）确定样品导电类型：选、为正向，根据所测得的的符号,判断样品的导电类型。

霍耳效应

当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于电流和磁场的方向的导体两侧产生电势差的现象。电势差的大小与电流和磁场强度的乘积成正比，而与物体沿磁场方向的厚度成反比。比例系数称霍耳系数，它同物体中载流子的符号和浓度有关。一般说来，金属和电解质的霍耳效应都很小，但半导体则较显著。因此，研究固体的霍耳效应可以确定它的导电类型以及其中载流子的浓度等；利用半导体的霍耳效应可以制成测量磁场强度的磁强计、微波技术及电子计算机中的元件等。有一个厚度为d、宽为l的导电薄片，沿x轴通有电流强度I。当在y轴方向加以匀强磁场B时，在导体薄片两侧（图中的A，A’）产生电势差UAA’。这就是霍耳效应。假设所讨论导电薄片的载流子（参与

可知，这些正电荷的载流子所得到的力沿+Z轴方向。若薄片中载流子为负电荷，q＜0，则

■

轴方向的洛仑兹力

f1=qvB

设载流子为正电荷，由于洛仑兹力的作用，正电荷将在A侧堆积，而在A’侧出现负电荷，并产生由A指向A’的横向电场Et。显然Et对q的作用力fe=qEt，与fL=qvB反向，当

qEt＝qvB

或当电场Et满足

Et=vB

时相同的运动状态，同时A，A’两侧停止电荷的继续堆积，从而在AA’两侧建立一个稳定的电势差UAA’

又电流强度I＝nqvL•d，n为单位体积的载流子数。则载流子的漂移速度

v＝I/nqLd

将其代入UAA’＝vBl得

若载流子为负电荷，作与前相同的讨论，仍然得到上式，不过式中q＜0，因而UAA’＜0即A’点的电势高于A点。只要我们将式中的q理解为代数

k称为霍耳系数，与所测材料的物理性质有关。当载流子q＞0时，k＞0，

由实验测得霍耳系数k，从而确定该材料的载流子浓度n，以及载流子的电性能（q＞0或q＜0）。霍耳效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中。例如用霍耳效应以确定一种半导体材料是电子型（n型——多数载流子为电子）还是“空穴”型（p型——多数载流子为空穴）。半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其它因素的影响很大，因此霍耳效应为研

原子价的金属符合，而对双原子价的金属以及半导体材料，霍耳系数不能写成这种形式，必须用量子理论来说明。但半导体材料的霍耳系数k与其载流子浓度n之间仍有反比关系。利用霍耳效应的霍耳元件有很多方面的用途：例如测量磁场；测量直流和交流电路中的电流强度和功率；转换信号，如把直流电流转换成交流电流并对它进行调制，放大直流或交流讯号等。

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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，FB= q u B(1)无论载流子是负电荷还是正电荷，FB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VBB’,形成一个电场E。电场使载流子又受到一个与FB方向相反的电场力FE，FE＝q E = q VBB’ / b(2)其中b为薄片宽度，FE随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时FE＝FB，即q uB = q VBB’ / b (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，射载流子浓度为n,薄片厚度为d,则电流强度I与u的关系为： (4)由(3)和(4)可得到 (5)另,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。在应用中，(6)常以如下形式出现： (7)式中称为霍尔元件灵敏度，I称为控制电流。由式(7)可见，若I、KH已知，只要测出霍尔电压VBB’，即可算出磁场B的大小；并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子，P型半导体多数载流子为空穴),则由VBB’的正负可测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。由于霍尔效应建立所需时间很短(10-12~10-14s),因此霍尔元件使用交流电或者直流电都可。指示交流电时，得到的霍尔电压也是交变的，(7)中的I和VBB’应理解为有效值。n 霍尔效应实验中的付效应在实际应用中，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的方向消除大多数付效应。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 VBB’=V1 -B， +I VBB’=-V2 -B， -I VBB’=V3 ＋B， -I VBB’=-V4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。 电导率测量方法如下图所示。设B’C间距离为L，样品横截面积为S=bd，流经样品电流为IS，在零磁场下，测得B’C间电压为VB’C,则

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