大学物理实验——霍尔效应.ppt

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1、霍尔霍尔（ A.H.Hall ） 霍尔效应是美国物理学家霍尔效应是美国物理学家霍尔（霍尔（A.H.Hall，18551938）于于1879年在美国霍普金斯大学年在美国霍普金斯大学读研究生期间读研究生期间,研究关于载流导研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现体在磁场中的受力性质时发现的一种现象。的一种现象。A.H.Hall（18551938） 霍尔效应霍尔效应（Hall effect ） 如果在一块矩形半导如果在一块矩形半导体薄片上沿体薄片上沿x轴方向通以电轴方向通以电流，在流，在z轴方向上加磁场轴方向上加磁场 ，则在垂直于电流和磁场的则在垂直于电流和磁场的方向（即方向（即y 轴方向）上产生轴

2、方向）上产生电势差，这一现象称为电势差，这一现象称为霍霍尔效应尔效应,所产生的电压称为所产生的电压称为霍尔电压霍尔电压。xyzISBVHB霍尔效应（霍尔效应（Hall effect ）IS半导体：半导体：N型型载流子是电子；载流子是电子；P型型载流子是空穴载流子是空穴有一有一N型半导体薄片：厚为型半导体薄片：厚为d，宽为，宽为b，AC电极间距为电极间距为lBISBvmFAeFCACHEVdblmVme FvB洛伦兹力洛伦兹力霍尔电场霍尔电场霍尔电压霍尔电压HEHV0AAV0AAV0HV0meFF动态平衡时动态平衡时P型半导体型半导体xyz电场力电场力eHeFE-测量霍尔电压测量霍尔电压ISBI

3、SBACACmV实验中的副效应：u不等势电压V0u厄廷豪森效应VEu能斯特效应VNu里纪-勒杜克效应VRL副效应的消除方法用对称测量法测量+B,+IS VAA=V1-B,+IS VAA=V2-B,-IS VAA=V3+B,-IS VAA=V412344HV V V VV xyzVAA仪器介绍仪器介绍红黄白橙NC黑ADACEVxyz霍尔片IS输入+IS-IS霍尔片输出VHVVHV+ +- -mV+ +- -霍尔效应测试仪霍尔效应测试仪S HVH V（mV）IS （mA） IM(A）IS调节调节IM调节调节IS输出输出IM输出输出VH V输入输入-3.21 .123仪器介绍仪器介绍实验内容实验内容

4、保持保持IM值不变值不变,（取（取IM =0.600A），改变），改变IS，测量，测量VH，用最小，用最小二乘法处理数据，计算霍尔系数二乘法处理数据，计算霍尔系数RH ，计算载流子浓度计算载流子浓度n。u电磁铁电磁铁励磁电流励磁电流 ， 电磁铁常数电磁铁常数电磁铁磁感应强度电磁铁磁感应强度 B的国际单位：特斯拉的国际单位：特斯拉T，单位换算，单位换算0()MBB IkGS0*/BkGS AMI4110GSTSHHI BVRdRH 霍尔系数霍尔系数1.测量霍尔电压测量霍尔电压,计算霍尔系数计算霍尔系数实验内容实验内容2.测测AC间电压间电压 ，计算电导率，计算电导率 ，迁移率迁移率 。u将实验仪

5、将实验仪“VH 输出输出”开关倒向开关倒向 ，在零磁场下（怎样获得零磁场？），在零磁场下（怎样获得零磁场？），取取 ，测量，测量 。 注意注意:IS取值不要大于取值不要大于0.20mA，以免，以免过大，毫伏表超量程。过大，毫伏表超量程。VV0.20SImAVSIVV红黄白橙NC黑ADACEV霍尔片输出VHVVHV+ +- -mV数据处理数据处理l记录记录B0、IM，计算磁感应强度，计算磁感应强度B (计算过程计算过程)。l记录霍尔片几何参量记录霍尔片几何参量b、d、l(122页页)。l用用最小二乘法最小二乘法处理数据，记录截距处理数据，记录截距A，斜率，斜率B，相关系数相关系数r。l用用斜率斜

6、率B计算霍尔系数计算霍尔系数RH。l判断材料的导电类型（判断材料的导电类型（N型型P型）。型）。HSVB ISHHI BVRd?B ?HR数据处理数据处理l计算计算载流子浓度载流子浓度（单位体积内含有载流子的个数，单位（单位体积内含有载流子的个数，单位 ）l计算计算电导率电导率（描述物体的导电能力，是电阻率的倒数。单位：西门子（描述物体的导电能力，是电阻率的倒数。单位：西门子/米米(S/m)）l计算计算迁移率迁移率（是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移（是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的大小的量度，运动得快，迁移率速度，即载流子

7、在电场作用下运动速度的大小的量度，运动得快，迁移率大；运动得慢，迁移率小。单位大；运动得慢，迁移率小。单位 ）318HnR e |SI lVbdne191.6022 10eC2/()mV s 3m注意事项注意事项l霍尔片性脆易碎，电极甚细易断，严禁撞击或用手触摸，否则易遭损坏。霍尔片性脆易碎，电极甚细易断，严禁撞击或用手触摸，否则易遭损坏。在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎，切勿随意改变在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎，切勿随意改变Y轴方向的高度，以轴方向的高度，以免霍尔片与磁极面摩擦而受损。免霍尔片与磁极面摩擦而受损。 l决不允许将决不允许将“IM输出输出”接到接到“IS输入输入”或或“VH、

8、V输出输出”处，否则，处，否则，一旦通电，霍尔样品即遭损坏。一旦通电，霍尔样品即遭损坏。 l测量测量V时，时， IS不宜过大，以免数字电压表超量程，通常不宜过大，以免数字电压表超量程，通常IS取为取为0.2mA左右。左右。3mAyB x 22x yxyBxx2222()()xyx yrxxyy相关系数斜率截距如果相关系数|r|趋于1，说明VH和IS线性关系好，截距A趋于0，说明VH和IS是正比关系，有因为HSVB ISHHI BVRd?HR返回返回返回返回霍尔效应（霍尔效应（Hall effect ）xyzISP型半导体型半导体BISBvmFAeFCACHEmV0HV返回返回 不等势电压是由于

9、霍尔元件的材料本身不均匀，以及电压输入端AA引线在制作时不可能绝对对称地焊接在霍尔片的两侧。因此，当电流 流过霍尔元件时，在电极AA间也具有电势差，记为 ，其方向只随 方向不同而改变，与磁场方向无关。因此， 可通过改变 方向予以消除。0VSIBISAA0VSI返回返回SI返回返回 1887年厄廷豪森发现，由于载流子的速度不相等，它们在磁场的作用下，速度大的受到的洛仑兹力大，绕大圆轨道运动，速度小则绕小圆轨道运动，这样导致霍尔元件的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯度。因而产生温差效应，形成电势差，记为 ，其方向取决于 和 的方向。可判断出 和 始终同向。EVEVBSIHV返回返回

10、 由图所示由于输入电流端引线D、E点处的电阻不相等，通电后发热程度不同，使D和E两端之间出现热扩散电流，在磁场的作用下，在A、A两端出现横向电场，由此产生附加电势差，记为 。其方向与 无关，只随磁场方向而变。BDAAENVSIHV 由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于厄廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度，产生附加电势差，记为 ，其方向只与磁场方向有关，与 同向。返回返回RLV取 +B、+ 测得取 B、 + 测得取 B、 测得取 + B、 测得消去 、 和 得因为 ，一般可忽略不计，所以SISISI10HENRLVVVVVV40HENRLVVVVVV 03VVVVVVRLNEH20HENRLVVVVVV NVRLV0VEHVVVVVV)(414321)(414321VVVVVHHEVV SI返回返回