霍爾效應的應用試驗報告

1、名稱：霍爾效應的應用、 目的：1霍爾效應原理及霍爾元件有關參數的含義和作用2測繪霍爾元件的 VHIs ，VHI M曲線，了解霍爾電勢差 VH與霍爾元件工作 電流 Is ，磁場應強度 B及勵磁電流 IM 之間的關系。3學習利用霍爾效應測量磁感應強度 B 及磁場分布。4學習用“對稱交換測量法”消除負效應產生的系統(tǒng)誤差。三、器材：1、實驗儀：1）電磁鐵。2）樣品和樣品架。3）Is 和 I M 換向開關及 VH 、V 切換開關。2、測試儀：（1）兩組恒流源。（2）直流數字電壓表。四、原理： 霍爾效應從本質上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏 轉。當帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料

2、中，這種偏轉就導致在垂直電 流和磁場方向上產生正負電荷的聚積， 從而形成附加的橫向電場， 即霍爾電場 EH 。 如圖 15-1 所示的半導體試樣， 若在 X方向通以電流 IS ，在 Z方向加磁場 B，則在 Y方向即試樣 A-A / 電極兩側就開始聚集異號電荷而產生相應的附加電場。電場的學習參考指向取決于試樣的導電類型。對圖所示的 型試樣則沿 Y 方向。即有EH （Y） 0 （N型）EH （Y） 0 （P型）N 型試樣，霍爾電場逆 Y 方向，（b）的 P顯然，霍爾電場 EH 是阻止載流子繼續(xù)向側面偏移，當載流子所受的橫向電場 力 eEH 與洛侖茲力 evB 相等，樣品兩側電荷的積累就達到動態(tài)平衡

3、，故 eEH evB（ 1）其中 EH 為霍爾電場， v 是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設試樣的寬為 b，厚度為 d，載流子濃度為 n ，則I S nevbd（ 2）由（1）、（2）兩式可得：VH EH b 1 ISB RH I SB（3）ne d d即霍爾電壓 VH （A 、A電極之間的電壓）與 I SB乘積成正比與試樣厚度 d 成 反比。比例系數 RH 1 稱為霍爾系數， 它是反映材料霍爾效應強弱的重要參數。 ne只要測出VH （伏）以及知道 I S （安）、 B （高斯）和 d （厘米）可按下式計算 RH （厘米 3庫侖）：RH VHd 108（4）ISB上式中的 108是由于磁感

4、應強度 B用電磁單位 （高斯）而其它各量均采用 CGS實用 單位而引入。由于產生霍爾效應的同時，伴隨多種副效應，以致實測的霍爾電場間電壓不等于真實的 VH值，因此必需設法消除。根據副效應產生的機理，采用電流和磁場換向的對稱測量法基本上能把副效應的影響從測量結果中消除。具體的做法是 Is 和 B（即 I M）的大小不變，并在設定電流和磁場的正反方向后，依次測 量由下面四組不同方向的 Is 和 B（即 I M）時的 V1， V2，V3，V4，1)+I s+BV12)+Is-BV23) -I s-BV34) -I s+BV4V1 V2 V3 V4 VH然后求它們的代數平均值，可得：H4學習參考通過對

5、稱測量法求得的 VH誤差很小另一方面，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：1 IB1IBI bdnqu (5) ，則可得到 VBB (6) ，令 R，則 VBB Rnq dnqd (7) ，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： VBB KH IB(8) ，式中KH1 稱為霍爾元件靈敏度， nqdI 稱為控制電流可見，若 I 、KH已知，只要測出霍爾電壓 VBB ，即可算出磁場 B的大??；并且 若知載流子類型 (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 ),

6、 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， I 和 VBB應理解為 有效值。五、步驟：1、測量霍耳電壓 VH 與工作電流 IS 的關系。 對測試儀進行調零。將測試儀的“ I S調節(jié)”和“ IM 調節(jié)”旋鈕均置零位， 待開機數分鐘后若 VH 顯示不為零，可通過面板左下方小孔的“調零”電位 器實現調零，即“ 0.00 ”。 測繪VH - I S曲線。將實驗儀的“ VH ，V ”切換開關投向 VH 側，測試儀的 “功能切換”

7、置 VH，保持 IM 值不變(取 IM =0.6A )，繪制VH - IS曲線。2、測量霍耳電壓 VH 與工作電流 IM 的關系。實驗儀與測試儀各開關位置同上。保持半導體的電流IS 不變(取IS =300mA)，繪制VH - IM曲線。3、測量V 值。將切換開關“ VH ，V ”投向V 側，“功能切換”置 V 。在零 磁場下，取 I S =2.00mA，測量 V 。4、確定樣品的導電類型。將實驗儀三組雙刀開關均投向上方，即IS沿 X方向，B沿Z方向。毫伏表測量電壓為 VAA 。取I S=2.00mA IM =0.6A，測量VH大 小及極性，判斷樣品導電類型。5、 求樣品 RH ，n，值。學習參

8、考六、記錄：1測繪U H I S曲線，保持 I M=0.6A、I S=1.004.00mA 不變，在表格中記錄霍 爾電壓。IS(mA)U1(mV)U 2(mV)U3(mV)U4(mV)V1 V2 V3 V4VH4B, ISB, ISB, ISB, IS1.00-2.202.90-2.503.02-2.671.50-4.034.25-3.854.44-4.162.00-5.425.59-5.185.59-5.452.50-6.826.92-6.527.23-6.873.00-8.218.26-7.858.62-8.244.00-11.0210.94-10.5411.42-10.982測繪 UH

9、IM 曲線，保持 Is=3.00mA；Im=0.3000.800A 不變，在表格中記 錄霍爾電壓。Im/AU1(mV)U2 (mV)U3(mV)U4(mV)V1 V2 V3 V4VH4B, ISB, ISB, ISB, IS0.3-4.094.13-3.734.52-3.120.4-5.495.50-5.105.87-5.490.5-6.846.88-6.487.30-6.880.6-8.238.27-7.878.63-8.250.7-9.589.63-9.229.99-9.610.8-10.9811.02-10.6211.39-11.00測得： V =130.6mVVh=-5.40mV七、數

10、據處理：2、在零磁場下，取 I S =2.00mA，測出 V =130.6mV3、確定樣品的導電類型。測出霍耳電壓 VH =-5.40mV0, 故樣品屬 N型。4、求樣品 RH ，n， ，值。(1) 由RH VHd VHd 分別求出表 1、2的RH ，再求出其平均值 RH、RH ，H I SB I S 0.1X IMH H H(6.16 103 6.16 103 6.14 103 6.16 103 6.14 103 6.16 103) 6.15 10 3(Vm/ AT )(6.02 103 5.96 103 5.99 103 6.0 103 6.03 103 6.09 103) 6.02 10

11、 3(Vm/ AT )故RH= (6.15 10 3 6.02 103)= 6.09 10(3 Vm/AT)2)1|RH |e16.09 10 3 1.6 10 191.03 1021(AT / (V m C)3) =UISLS 22.06(A/Vm)(4)|RH | 6.09 10 3 22.06 0.13(T 1)八、預習思考題：1、霍耳元件為什么要用半導體材料，而且要求做得很?。炕魻栯妷菏侨绾萎a 生的？答：半導體材料的遷移率 高，電阻率 適中，是制造霍耳器件較理想的材 料。2、 工作電流和磁場為什么要換向？實際操作時如何實現？ 答：為了把產生霍耳效應的時候所伴隨的副效應的影響從測量的結果

12、中消除。 實際操作時通過切換實驗儀三組雙刀開關改變電流和磁場的方向。3、 回答 IS、IM 、U H 、U 分別表示什么含義？ IS、IM 的作用分別是什么？ 答： I S表示樣品工作電流； IM 表示勵磁電流； U H 表示存在磁場時的霍耳電 壓；U 表示在零磁場下的霍耳電壓。 I S的作用是改變電流大小和方向， IM 的作 學習參考用是改變磁場的大小及方向4、 霍耳效應有哪些應用？ 答：在現代汽車上廣泛應用的霍爾器件有：在分電器上作信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的 電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉速及曲軸角度傳感器。九、操作后思考題

13、：1、 如何精確測量霍耳電壓？本實驗采用什么方法消除各種附加電壓？ 答：設法消除產生霍爾效應時伴隨的多種副效應。本實驗采用電流和磁場換 向的所謂對稱測量法。2、磁場不恰好與霍耳片的法線一致，對測量結果有何影響？ 答：磁場不與霍爾片垂直，只有其法向分量能起作用，即霍爾片產生的霍爾電壓會減小。3、能否用霍耳元件片測量交變磁場？若能，怎樣測量？ 答：能。4、如何根據 I，B和VH 的方向，判斷所測樣品為 N型半導體還是 P型半導體？ 答：先設定 I，B和VH 的參考正方向：例如設定 I從左向右為正， B垂直紙面 向內為正，正電荷向上偏轉，則 VH 從下向上為正。然后將測量儀器按參考正方向 連接。電流表要左邊接紅表筆，右邊接黑表筆，電壓表要下表面接紅表筆，上表 面接黑表筆。然后將 I， B均調為正，觀察電壓表的正負。根據 U KIB ，如果電 壓表為負數，則靈敏度 K 0 ，電子導電， N型半導體； 如果電壓表為正數， K 0， 空穴導電， P 型半導體。5、請根據歐姆定律推導出 I sL （電導率 為電阻率 的倒數）。US答：