霍爾效應講義.doc

通過霍爾效應測量磁場n 了解霍爾效應原理以及有關霍爾器件對材料要求的知識。n 學習用“對稱測量法”消除付效應影響。n 根據霍爾電壓判斷霍爾元件載流子類型，計算載流子的濃度和遷移速度，實驗原理n 通過霍爾效應測量磁場霍爾效應裝置如圖2.3.1-1和圖2.3.1-2所示。將一個半導體薄片放在垂直于它的磁場中(B的方向沿z軸方向)，當沿y方向的電極A、A上施加電流I時，薄片內定向移動的載流子(設平均速率為u)受到洛倫茲力FB的作用，FB = q u B(1)無論載流子是負電荷還是正電荷，FB的方向均沿著x方向，在磁力的作用下，載流子發(fā)生偏移，產生電荷積累，從而在薄片B、B兩側產生一個電位差VBB,形成一個電場E。電場使載流子又受到一個與FB方向相反的電場力FE，FEq E = q VBB / b(2)其中b為薄片寬度，FE隨著電荷累積而增大，當達到穩(wěn)定狀態(tài)時FEFB，即q uB = q VBB / b(3)這時在B、B兩側建立的電場稱為霍爾電場，相應的電壓稱為霍爾電壓，電極B、B稱為霍爾電極。另一方面，射載流子濃度為n,薄片厚度為d,則電流強度I與u的關系為： (4)由(3)和(4)可得到(5)令，則(6)R稱為霍爾系數，它體現了材料的霍爾效應大小。根據霍爾效應制作的元件稱為霍爾元件。在應用中，(6)常以如下形式出現： (7)式中稱為霍爾元件靈敏度，I稱為控制電流。由式(7)可見，若I、KH已知，只要測出霍爾電壓VBB，即可算出磁場B的大?。徊⑶胰糁d流子類型(n型半導體多數載流子為電子，P型半導體多數載流子為空穴),則由VBB的正負可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。由于霍爾效應建立所需時間很短(10-1210-14s),因此霍爾元件使用交流電或者直流電都可。指示交流電時，得到的霍爾電壓也是交變的，(7)中的I和VBB應理解為有效值。n 霍爾效應實驗中的付效應在實際應用中，伴隨霍爾效應經常存在其他效應。例如實際中載流子遷移速率u服從統(tǒng)計分布規(guī)律，速度小的載流子受到的洛倫茲力小于霍爾電場作用力，向霍爾電場作用力方向偏轉，速度大的載流子受到磁場作用力大于霍爾電場作用力，向洛倫茲力方向偏轉。這樣使得一側告訴載流子較多，相當于溫度較高，而另一側低速載流子較多，相當于溫度較低。這種橫向溫差就是溫差電動勢VE，這種現象稱為愛延豪森效應。這種效應建立需要一定時間，如果采用直流電測量時會因此而給霍爾電壓測量帶來誤差，如果采用交流電，則由于交流變化快使得愛延豪森效應來不及建立，可以減小測量誤差。此外，在使用霍爾元件時還存在不等位電動勢引起的誤差，這是因為霍爾電極B、B不可能絕對對稱焊在霍爾片兩側產生的。由于目前生產工藝水平較高，不等位電動勢很小，故一般可以忽略，也可以用一個電位器加以平衡(圖2.3.1-1中電位器R1)。我們可以通過改變IS和磁場B的方向消除大多數付效應。具體說在規(guī)定電流和磁場正反方向后，分別測量下列四組不同方向的IS和B組合的VBB,即B， +IVBB=V1-B， +IVBB=-V2-B， -IVBB=V3B， -IVBB=-V4然后得到霍爾電壓平均值，這樣雖然不能消除所有的付效應，但其引入的誤差不大，可以忽略不計。電導率測量方法如下圖所示。設BC間距離為L，樣品橫截面積為S=bd，流經樣品電流為IS，在零磁場下，測得BC間電壓為VBC,根據歐姆定律可以求出材料的電導率。v 實驗內容和儀器：QS-H霍爾效應組合儀，小磁針，測試儀。n 霍爾效應組合儀包括電磁鐵，霍爾樣品和樣品架，換向開關和接線柱，如下圖所示。n 測試儀由勵磁恒流源IM，樣品工作恒流源IS，數字電流表，數字毫伏表等組成，儀器面板如下圖：將測試儀上IM輸出，IS輸出和VH輸入三對接線柱分別與實驗臺上對應接線柱連接。打開測試儀電源開關，預熱數分鐘后開始實驗。n 保持IM不變，取IM0.45A，IS取1.00,1.50,4.50mA，測繪VH-IS曲線，計算RH。n 保持IS不變，取IS4.50mA，IM取0.100,0.150,0.450mA，測繪VH-IM曲線。n 在零磁場下，取IS=0.1mA，測VBC(即Vd)。n 確定樣品導電類型，并求 n ,u,s 。n 注意事項n 測試儀開機、關機前將IS, IM旋鈕逆時針轉到底，防止輸出電流過大。n IS, IM接線不可顛倒，以防燒壞樣品。n 思考題n 若磁場不恰好與霍爾元件片底法線一致，對測量結果有何影響，如果用實驗方法判斷B與元件發(fā)現是否一致？n 能否用霍爾元件片測量交變磁場？選做實驗：銻化銦片的磁阻特性1857年，英國物理學家威廉湯姆遜(William Thomson)發(fā)現了磁阻效應（Magnetoresistance effect）。磁阻效應是指半導體在外加磁場作用下電阻率增大的現象。當半導體受到與電流方向垂直的磁場作用時，由于半導體中載流子的速度有一定的分布，某些速度的載流子，霍爾電場的作用與洛倫茲力的作用剛好抵消，這些載流子的運動方向不偏轉，而大于或小于此速度的載流子，運動方向發(fā)生偏轉，導致沿電流方向的速度分量減小，電流變弱，從而電阻率增加。本實驗研究銻化銦片的電阻與磁感應強度變化的關系。測量銻化銦片磁阻特性的器材銻化銦片、電磁鐵（具體參數見儀器）、穩(wěn)壓電源（5V）、霍爾效應測試儀、滑線式電橋、檢流計、滑動變阻器、電阻箱（0100000）、雙刀開關、單刀開關以及導線若干。樣品示意圖：（a） 銻化銦片，為外加磁場的磁感應強度，IS為通過銻化銦片的工作電流（b） 銻化銦片管腳圖實驗內容：1）利用給定的實驗儀器進行設計和實驗。2）線圈的勵磁電流在0 0.800A之間，測量20組以上磁阻數據。3）在坐標紙上標出關系的實驗數據點，根據實驗數據點圖，分析與 的關系。其中是不加