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1、【实验题目】通过霍尔效应测量磁场【实验题目】通过霍尔效应测量磁场【实验目的】【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”消除付效应影响。3、根据霍尔电压判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，【实验仪器】【实验仪器】QS-H 霍尔效应组合仪【实验原理】【实验原理】1 1、通过霍尔效应测量磁场、通过霍尔效应测量磁场霍尔效应装置如图 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v)受到洛伦兹
2、力FB的作用，FB qvB(1)FB的方向均无论载流子是负电荷还是正电荷，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VH,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 qE qVHb(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qvB qVHb(3)这时在 B、B 两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压VH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Im与v的关系为：Im bdnqv或v Im由(3)和(4)可得到b
3、dnq(4)VH1 ImBnqd(5)1另R 1,则neI BVH Rmd(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：VH KHImB式中KH(7)R1称为霍尔元件灵敏度，Im称为控制电流。dned由式由式(7)(7)可见，若可见，若Im、KH已知，只要测出霍尔电压已知，只要测出霍尔电压VH，即可算出磁场，即可算出磁场B的大小；并且的大小；并且若知载流子类型若知载流子类型(n(n 型半导体多数载流子为电子，型半导体多数载流子为电子，P P 型半导体多数载流子为空穴型半导体多数载流子为空穴),),则由则由VH的的正负可
4、测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。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。2 2、霍尔效应实验中的付效应、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
5、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=V3B，-I,VBB=-V4然后利用VH
6、1(V1V2V3V4)得到霍尔电压平4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。3、电导率测量电导率测量测量方法如图 3 所示。设 BC 间距离为 L，样品横截面积为 S=bd，流经样品电流为Im 0.15mA，在零磁场下B 0，测得 BC 间电压为VBC,则：ImL(8)VBCbd2【实验内容及步骤】【实验内容及步骤】一、验证霍尔电压VH与工作电流Im、霍尔电压VH与磁场B（B nIM B0IM）即与IM的关系。1、将测试仪上IM输出，Im输出和VH输入三对接线柱分别与实验台上对应接线柱连接。打开测试仪电源开关，预热数分钟后开始实验。2、保持IM不变，取IM 40
7、0mA，Im 0.15mA取 1.00,1.50,4.50mA，将数据填入表1，测绘VH Im曲线，并计算B0 n即B0。3、保持Im不变，取Im 3.0mA，IM取0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35A，将数据填入表,2，测绘VH IM曲线。4、在零磁场下B 0，取Im 0.15mA，测VBC。5、确定样品导电类型。二、测量螺线管周围的磁场取IS 3.0mA，IM 400mA，霍尔元件放在磁场种不同位置X，分别测量霍尔电压VH。填入表 2，计算出B，在坐标纸上画出B X曲线。【原始数据】【原始数据】L 3.0mmb 4.0mmd 0.5mmKH表 1 霍尔电压测量（IM
8、 400mA，霍尔片放在磁场中最强的地方）单位：mVIm(mA)0.100.100.150.150.200.200.250.250.300.300.350.35V1(I M,IS)V2(I M,IS)V3(I M,IS)V4(I M,IS)VH1(V1V2V3V4)43表 2 霍尔电压测量（Im 3.0mA，霍尔片放在磁场中最强的地方）单位：mVIM(A)0.100.100.150.150.200.200.250.250.300.300.350.35V1(I M,IS)V2(I M,IS)V3(I M,IS)V4(I M,IS)VH1(V1V2V3V4)4表表 3 3霍尔元件放在磁场种不同位置X，测量霍尔电压VH(IS 3.0mA，IM 400mA)X(mm)-18-17-16-15-14-10-6061014161718V1(I M,IS)V2(I M,IS)V3(I M,IS)V4(I M,IS)VH(mV)B(T)【实验数据处理】【实验数据处理】思考题若磁场不恰好与霍尔元件片底法线一致，对测量结果有何影响，如果用实验方法判断 B 与元件发现是否一致？能否用霍尔元件片测量交变磁场4