大學(xué)物理實驗——霍爾效應(yīng).

1、黑龍江大學(xué)普通物理實驗室黑龍江大學(xué)普通物理實驗室霍爾霍爾（ A.H.Hall ） 霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾（霍爾（A.H.Hall，18551938）于于1879年在美國霍普金斯大學(xué)年在美國霍普金斯大學(xué)讀研究生期間讀研究生期間,研究關(guān)于載流導(dǎo)研究關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場中的受力性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)體在磁場中的受力性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。的一種現(xiàn)象。A.H.Hall（18551938） 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)（Hall effect ） 如果在一塊矩形半導(dǎo)如果在一塊矩形半導(dǎo)體薄片上沿體薄片上沿x軸方向通以電軸方向通以電流，在流，在z軸方向上加磁場軸方向上加磁場 ，則在垂直于電流和磁場的則在垂直于

2、電流和磁場的方向（即方向（即y 軸方向）上產(chǎn)生軸方向）上產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象稱為電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍霍爾效應(yīng)爾效應(yīng),所產(chǎn)生的電壓稱為所產(chǎn)生的電壓稱為霍爾電壓霍爾電壓。xyzISBVHB霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)（Hall effect ）IS半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：N型型載流子是電子；載流子是電子；P型型載流子是空穴載流子是空穴有一有一N型半導(dǎo)體薄片：厚為型半導(dǎo)體薄片：厚為d，寬為，寬為b，AC電極間距為電極間距為lBISBvmFAeFCACHEVdblmVme FvB洛倫茲力洛倫茲力霍爾電場霍爾電場霍爾電壓霍爾電壓HEHV0AAV0AAV0HV0meFF動態(tài)平衡時動態(tài)平衡時P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體xyz電場力電

3、場力eHeFE-測量霍爾電壓測量霍爾電壓ISBISBACACmV實驗中的副效應(yīng)：u不等勢電壓V0u厄廷豪森效應(yīng)VEu能斯特效應(yīng)VNu里紀(jì)-勒杜克效應(yīng)VRL副效應(yīng)的消除方法用對稱測量法測量+B,+IS VAA=V1-B,+IS VAA=V2-B,-IS VAA=V3+B,-IS VAA=V412344HV V V VV xyzVAA儀器介紹儀器介紹紅黃白橙NC黑ADACEVxyz霍爾片IS輸入+IS-IS霍爾片輸出VHVVHV+ +- -mV+ +- -霍爾效應(yīng)測試儀霍爾效應(yīng)測試儀S HVH V（mV）IS （mA） IM(A）IS調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)IM調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)IS輸出輸出IM輸出輸出VH V輸入輸入-3

4、.21 .123儀器介紹儀器介紹實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容保持保持IM值不變值不變,（?。ㄈM =0.600A），改變），改變IS，測量，測量VH，用最小，用最小二乘法處理數(shù)據(jù)，計算霍爾系數(shù)二乘法處理數(shù)據(jù)，計算霍爾系數(shù)RH ，計算載流子濃度計算載流子濃度n。u電磁鐵電磁鐵勵磁電流勵磁電流 ， 電磁鐵常數(shù)電磁鐵常數(shù)電磁鐵磁感應(yīng)強度電磁鐵磁感應(yīng)強度 B的國際單位：特斯拉的國際單位：特斯拉T，單位換算，單位換算0()MBB IkGS0*/BkGS AMI4110GSTSHHI BVRdRH 霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)1.測量霍爾電壓測量霍爾電壓,計算霍爾系數(shù)計算霍爾系數(shù)實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容2.測測AC間電壓間電壓 ，計算

5、電導(dǎo)率，計算電導(dǎo)率 ，遷移率遷移率 。u將實驗儀將實驗儀“VH 輸出輸出”開關(guān)倒向開關(guān)倒向 ，在零磁場下（怎樣獲得零磁場？），在零磁場下（怎樣獲得零磁場？），取取 ，測量，測量 。 注意注意:IS取值不要大于取值不要大于0.20mA，以免，以免過大，毫伏表超量程。過大，毫伏表超量程。VV0.20SImAVSIVV紅黃白橙NC黑ADACEV霍爾片輸出VHVVHV+ +- -mV數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理l記錄記錄B0、IM，計算磁感應(yīng)強度，計算磁感應(yīng)強度B (計算過程計算過程)。l記錄霍爾片幾何參量記錄霍爾片幾何參量b、d、l(122頁頁)。l用用最小二乘法最小二乘法處理數(shù)據(jù)，記錄截距處理數(shù)據(jù)，記錄截距A

6、，斜率，斜率B，相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)r。l用用斜率斜率B計算霍爾系數(shù)計算霍爾系數(shù)RH。l判斷材料的導(dǎo)電類型（判斷材料的導(dǎo)電類型（N型型P型）。型）。HSVB ISHHI BVRd?B ?HR數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理l計算計算載流子濃度載流子濃度（單位體積內(nèi)含有載流子的個數(shù)，單位（單位體積內(nèi)含有載流子的個數(shù)，單位 ）l計算計算電導(dǎo)率電導(dǎo)率（描述物體的導(dǎo)電能力，是電阻率的倒數(shù)。單位：西門子（描述物體的導(dǎo)電能力，是電阻率的倒數(shù)。單位：西門子/米米(S/m)）l計算計算遷移率遷移率（是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移（是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運動

7、速度的大小的量度，運動得快，遷移率速度，即載流子在電場作用下運動速度的大小的量度，運動得快，遷移率大；運動得慢，遷移率小。單位大；運動得慢，遷移率小。單位 ）318HnR e |SI lVbdne191.6022 10eC2/()mV s 3m注意事項注意事項l霍爾片性脆易碎，電極甚細(xì)易斷，嚴(yán)禁撞擊或用手觸摸，否則易遭損壞。霍爾片性脆易碎，電極甚細(xì)易斷，嚴(yán)禁撞擊或用手觸摸，否則易遭損壞。在需要調(diào)節(jié)霍爾片位置時，必須謹(jǐn)慎，切勿隨意改變在需要調(diào)節(jié)霍爾片位置時，必須謹(jǐn)慎，切勿隨意改變Y軸方向的高度，以軸方向的高度，以免霍爾片與磁極面摩擦而受損。免霍爾片與磁極面摩擦而受損。 l決不允許將決不允許將“I

8、M輸出輸出”接到接到“IS輸入輸入”或或“VH、V輸出輸出”處，否則，處，否則，一旦通電，霍爾樣品即遭損壞。一旦通電，霍爾樣品即遭損壞。 l測量測量V時，時， IS不宜過大，以免數(shù)字電壓表超量程，通常不宜過大，以免數(shù)字電壓表超量程，通常IS取為取為0.2mA左右。左右。3mAyB x 22x yxyBxx2222()()xyx yrxxyy相關(guān)系數(shù)斜率截距如果相關(guān)系數(shù)|r|趨于1，說明VH和IS線性關(guān)系好，截距A趨于0，說明VH和IS是正比關(guān)系，有因為HSVB ISHHI BVRd?HR返回返回返回返回霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)（Hall effect ）xyzISP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體BISBvmFAe

9、FCACHEmV0HV返回返回 不等勢電壓是由于霍爾元件的材料本身不均勻，以及電壓輸入端AA引線在制作時不可能絕對對稱地焊接在霍爾片的兩側(cè)。因此，當(dāng)電流 流過霍爾元件時，在電極AA間也具有電勢差，記為 ，其方向只隨 方向不同而改變，與磁場方向無關(guān)。因此， 可通過改變 方向予以消除。0VSIBISAA0VSI返回返回SI返回返回 1887年厄廷豪森發(fā)現(xiàn)，由于載流子的速度不相等，它們在磁場的作用下，速度大的受到的洛侖茲力大，繞大圓軌道運動，速度小則繞小圓軌道運動，這樣導(dǎo)致霍爾元件的一端較另一端具有較多的能量而形成一個橫向的溫度梯度。因而產(chǎn)生溫差效應(yīng)，形成電勢差，記為 ，其方向取決于 和 的方向?？膳袛喑?和 始終同向。EVEVBSIHV返回返回 由圖所示由于輸入電流端引線D、E點處的電阻不相等，通電后發(fā)熱程度不同，使D和E兩端之間出現(xiàn)熱擴散電流，在磁場的作用下，在A、A兩端出現(xiàn)橫向電場，由此產(chǎn)生附加電勢差，記為 。其方向與 無關(guān)，只隨磁場方向而變。BDAAENVSIHV 由于熱擴散電流的載流子的遷移率不同，類似于厄廷豪森效應(yīng)中載流子速度不同一樣，也將形成一個橫向的溫度梯度，產(chǎn)生附加電勢差，記為 ，其方向只與磁場方向有關(guān)，與 同向。返回返回RLV取 +B、+ 測得取