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  • 霍尔效应实验报告

    分类:实验报告 时间:2017-07-27 本文已影响

    篇一:霍尔效应实验报告

    篇二:霍尔效应的应用实验报告

    一、 名称:霍尔效应的应用 二、 目的:

    1.霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用

    2.测绘霍尔元件的VH—Is,VH—IM曲线,了解霍尔电势差VH与霍尔元件工作电流Is,磁场应强度B及励磁电流IM之间的关系。 3.学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。 4.学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。

    三、 器材:

    1、实验仪:

    (1)电磁铁。 (2)样品和样品架。

    (3)Is和IM 换向开关及VH 、Vó 切换开关。 2、测试仪: (1)两组恒流源。 (2)直流数字电压表。

    四、 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仑兹力作用而引起的偏转。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EH。如图15-1所示的半导体试样,若在X方向通以电流IS ,在Z方向加磁场B,则在Y方向即试样 A-A/ (原文来自:wWW.hnboxu.Com 博旭 范文网:霍尔效应实验报告) 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的

    指向取决于试样的导电类型。对图所示的N型试样,霍尔电场逆Y方向,(b)的P型试样则沿Y方向。即有

    EH

    (Y)?0?(N型)EH(Y)?0?(P型)

    显然,霍尔电场EH是阻止载流子继续向侧面偏移,当载流子所受的横向电场力eEH与洛仑兹力eB相等,样品两侧电荷的积累就达到动态平衡,故

    eEH?eB (1)其中EH为霍尔电场,v是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

    设试样的宽为b,厚度为d,载流子浓度为n ,则

    IS?nebd(2) 由(1)、(2)两式可得:VH

    1ne

    ?EHb?

    1ISBne

    d

    ?RH

    ISBd

    (3)

    即霍尔电压VH(A 、A/电极之间的电压)与ISB乘积成正比与试样厚度d成反比。比例系数RH

    ?

    称为

    只要测出VH (伏)以及知道IS(安)、B(高斯)和d(厘米)可按下式计算RH(厘米3/库仑):RH=

    VHdISB

    ?10

    8

    (4)

    上式中的108是由于磁感应强度B用电磁单位(高斯)而其它各量均采用CGS实用单位而引入。

    由于产生霍尔效应的同时,伴随多种副效应,以致实测的霍尔电场间电压不等于真实的VH值,因此必需设法消除。根据副效应产生的机理,采用电流和磁场换向的对称测量法基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。具体的做法是Is和B(即IM)的大小不变,并在设定电流和磁场的正反方向后,依次测量由下面四组不同方向的Is和B(即IM)时的V1,V2,V3,V4,

    1)+Is +BV1 2)+Is -B V2 3)-Is -BV3 4)-Is +B V4

    然后求它们的代数平均值,可得:

    VH?

    V1?V2?V3?V4

    4

    通过对称测量法求得的VH误差很小。

    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:

    I?bdnqu??(5),则可得到 VBB??

    1IBnqd

    ??(6),令R?

    1nq

    ,则VBB??R

    IBd

    ??

    (7),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:VBB??KHIB ??(8) ,式中K

    为霍尔元件灵敏度,I称为控制电流。

    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,I和VBB’应理解为有效值。

    H

    ?

    Rd

    ?

    1nqd

    五、 步骤:

    1、测量霍耳电压VH与工作电流IS的关系。

    ① 对测试仪进行调零。将测试仪的“I

    S

    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”。

    ② 测绘V

    H

    -IS曲线。将实验仪的“VH,V?”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),绘制VH-IS曲线。 2、测量霍耳电压VH与工作电流IM的关系。

    实验仪与测试仪各开关位置同上。保持半导体的电流IS不变(取=300mA),绘制VH-IM曲线。

    3、测量V?值。将切换开关“VH,V?”投向V?侧,“功能切换”置V?。在零

    IS

    磁场下,取IS=2.00mA,测量V?。

    4、确定样品的导电类型。将实验仪三组双刀开关均投向上方,即IS沿X方向,B沿Z方向。毫伏表测量电压为VAA?。取IS=2.00mA IM=0.6A,测量VH大小及极性,判断样品导电类型。 5、 求样品RH,n,?,μ值。

    六、 记录:

    1.测绘UH?IS曲线,保持IM=0.6A、IS=1.00~4.00mA不变,在表格中记录霍

    2.测绘UH

    ?IM曲线,保持Is=3.00mA;Im=0.300~0.800A不变,在表格中记

    测得:V?=130.6mV

    Vh=-5.40mV

    七、 数据处理:

    1、根据数据表作出曲线图:

    2、在零磁场下,取IS=2.00mA,测出V?=130.6mV

    3、确定样品的导电类型。测出霍耳电压VH=-5.40mV<0,故样品属N型。 4、求样品RH,n,?,μ值。 (1)由RH?得

    RH??

    ?(6.16?10

    ?3

    VHdISB

    ?

    VH

    d

    IS0.1X?IM

    ?3

    分别求出表1、2的RH,再求出其平均值RH、RH?,

    ?3

    ?3

    ?3

    ?3

    ?6.16?10?6.14?10?6.16?106

    ?3

    ?6.14?10?6.16?10)

    ?3

    ??6.15?10(Vm/AT)

    ?3

    RH???

    ?(6.02?10

    ?3

    ?5.96?10

    ?3

    ?3

    ?5.99?10

    ?3

    ?6.0?10

    ?3

    ?6.03?10

    ?3

    ?6.09?10)

    6

    ??6.02?10(Vm/AT)

    ?3

    故RH=

    ?(6.15?10

    1

    ?6.02?10)2

    1

    6.09?10

    ?3

    =?6.09?10(Vm/AT)

    ?19

    ?3

    (2)n?(3)?=

    |RH|eISLU?S

    ?

    ?1.6?10

    ?1.03?10(AT/(V?m?C))

    21

    ?22.06(A/Vm)

    (4)??|RH|??6.09?10?3?22.06?0.13(T?1)

    八、 预习思考题:

    1、霍耳元件为什么要用半导体材料,而且要求做得很薄?霍尔电压是如何产

    生的?

    答:半导体材料的迁移率?高,电阻率?适中,是制造霍耳器件较理想的材料。

    2、 工作电流和磁场为什么要换向?实际操作时如何实现?

    答:为了把产生霍耳效应的时候所伴随的副效应的影响从测量的结果中消除。实际操作时通过切换实验仪三组双刀开关改变电流和磁场的方向。

    U?分别表示什么含义?IS、IM的作用分别是什么? UH、3、 回答IS、IM、

    答:IS表示样品工作电流;IM表示励磁电流;UH表示存在磁场时的霍耳电压;U?表示在零磁场下的霍耳电压。IS的作用是改变电流大小和方向,IM的作用是改变磁场的大小及方向。

    篇三:北京大学物理实验报告:霍尔效应测量磁场(docx版)

    霍尔效应测量磁场

    【实验目的】

    (1) 了解霍尔效应的基本原理 (2) 学习用霍尔效应测量磁场

    【仪器用具】

    仪器名 参数 电阻箱 ? 霍尔元件 ? 导线 ?

    SXG-1B毫特斯拉仪 ±(1%+0.2mT) PF66B型数字多用表200 mV档 ±(0.03%+2) DH1718D-2型双路跟踪稳压稳流电源 0~32V 0~2A

    Fluke 15B数字万用表电流档 ±(1.5%+3) Victor VC9806+数字万用表200mA档 ±(0.5%+4)

    【实验原理】

    (1) 霍尔效应法测量磁场原理

    若将通有电流的导体至于磁场B之中,磁场B(沿着z轴)垂直于电流IS(沿着x轴)的方向,如图1所示则在导体中垂直于B和IS方向将出现一个横向电位差UH,这个现象称之为霍尔效应。

    图 1霍尔效应示意图

    若在x方向通以电流IS,在z方向加磁场B,则在y方向A、A′两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场.当载流子所受的横向电场力FE洛伦兹力FB相等时:

    ?? ??×?? =????

    此时电荷在样品中不再偏转,霍尔电势差就有这个电场建立起来。 N型样品和P型样品中建立起的电场相反,如图1所示,所以霍尔电势差有不同的符号,由此可以判断霍尔元件的导电类型。

    设P型样品的载流子浓度为p,宽度为w,厚度为的d。通过样品电流IS=pqvwd,则空穴速率v=IS/pqwd,有

    ????????????

    U??=????==????=??????????

    其中RH=1/pq称为霍尔系数,KH=RH/d=1/pqd称为霍尔元件灵敏度。

    (2) 霍尔元件的副效应及其消除方法

    在实际测量过程中,会伴随一些热磁副效应,这些热磁效应有: 埃廷斯豪森效应:由于霍尔片两端的温度差形成的温差电动势UE 能斯特效应:热流通过霍尔片在其端会产生电动势UN

    里吉—勒迪克效应:热流通过霍尔片时两侧会有温度差产生,从而又产生温差电动势UR

    除此之外还有由于电极不在同一等势面上引起的不等位电势差U0

    为了消除副效应,在操作时我们需要分别改变IH和B的方向,记录4组电势差的数据

    当IH正向,B正向时:??1=????+??0+????+????+???? 当IH负向,B正向时:??2=????????0?????+????+???? 当IH负向,B负向时:??3=???????0+?????????????? 当IH正向,B负向时:??4=?????+??0??????????????? 取平均值有

    1

    ??1???2+??3???4 =????+????≈???? (3) 测量电路

    图 2霍尔效应测量磁场电路图

    霍尔效应的实验电路图如图所示。IM是励磁电流,由直流稳流电源E1提供电流,用数字万用表安培档测量IM。IS是霍尔电流,由直流稳压电源E2提供电流,用数字万用表毫安档测量IS,为了保证IS的稳定,电路中加入电阻箱R进行微调。UH是要测的霍尔电压,接入高精度的数字多用表进行测量。

    根据原理(2)的说明,在实验中需要消除副效应。实际操作中,依次将IS、IM的开关K1、K2置于(+,+)、(?,+)、(?,?)、(+,?)状态并记录Ui即可,其中+表示正向接入,?表示反向接入。

    【实验内容】

    1. 测量霍尔电流IS和霍尔电压UH的关系

    1.1. 将霍尔片置于电磁铁靠近中心处(便于稍后测量磁场)

    1.2. 调节IM=0.598 A,调节R及E2使得IS=2 4 6 8 10 mA,测量并记录霍尔电压

    UH,每次消除副效应

    1.3. 更换输入端口,重复1.2的操作 1.4. 作出UH-IS图,验证其线性关系 2. 测量KH

    2.1. 保持IS=10 mA IM=0.1 A

    2.2. 调节IM使其从0.1~1.0A每间隔0.1A分别测量并记录磁场强度B和霍尔电

    压UH。每次测量旋转探头使得读数最大,以保证探头霍尔片垂直于磁场 2.3. 根据原理(1)中给出的线性拟合得到KH

    2.4. 由得到的KH,根据在不同IM时测得的UH计算B,作出B-IM曲线 3. 测量磁场的水平分布 3.1. 保持IM =0.6 A IS=10 mA

    3.2. 读取并记录支架水平标尺读数x和霍尔电压UH

    3.3. 旋转旋钮,使得霍尔片处于磁场中不同的位置,重复3.2 3.4. 根据测得的UH计算B,作出B-x曲线

    【实验数据及处理结果】

    1. 测量霍尔电流IS和霍尔电压UH的关系

    图3 Uh-Is关系图

    拟合结果R2=1 的UH-IS确符合线性关系

    2. 测量KH

    HKH=18.99 V/TAR2=0.99996 不考虑仪器带来的误差,则有 σ??=

    ??????=

    ??(??????? )2

    ??

    σ??=0.037 V/TA

    KH= (18.99±0.04) V/TA

    图4 Uh-B关系图

    图5B-Im关系图

    B-IM是线性关系

    3. 磁场的水平分布

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