霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

霍爾效應(yīng)與應(yīng)用設(shè)計(jì)摘要：隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的測(cè)量已成為研究半導(dǎo)體材料的主要方法之一。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率可以判斷材料的導(dǎo)電類(lèi)型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。關(guān)鍵詞：霍爾系數(shù)，電導(dǎo)率，載流子濃度。引言【實(shí)驗(yàn)背景】置于磁場(chǎng)中的載流體，如果電流方向與磁場(chǎng)垂直，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場(chǎng)，稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。如今，霍爾效應(yīng)不但是測(cè)定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用該效應(yīng)制成的霍爾器件，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬（高達(dá)10GHz）、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于非電量測(cè)量、自動(dòng)控制和信息處理等方面。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹客ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)掌握霍爾效應(yīng)基本原理，了解霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)；學(xué)會(huì)測(cè)量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)、電導(dǎo)率、遷移率等參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)；學(xué)會(huì)用“對(duì)稱(chēng)測(cè)量法”消除副效應(yīng)所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差的實(shí)驗(yàn)方法。學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B及磁場(chǎng)分布。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與數(shù)據(jù)處理【實(shí)驗(yàn)原理】一、霍爾效應(yīng)原理霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)。如圖1所示。當(dāng)載流子所受的橫電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡，故有圖1.霍爾效應(yīng)原理示意圖，a）為N型（電子）圖1.霍爾效應(yīng)原理示意圖，a）為N型（電子）b）為P型（孔穴）fefmv-eEHA/ABCISVmA+eEHfefmvIS其中EH稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)，是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，則 比例系數(shù)RH=1/ne稱(chēng)為霍爾系數(shù)。由RH的符號(hào)（或霍爾電壓的正負(fù)）判斷樣品的導(dǎo)電類(lèi)型。由RH求載流子濃度n，即（4）結(jié)合電導(dǎo)率的測(cè)量，求載流子的遷移率。電導(dǎo)率σ與載流子濃度n以及遷移率之間有如下關(guān)系（5）即，測(cè)出值即可求。電導(dǎo)率可以通過(guò)在零磁場(chǎng)下，測(cè)量B、C電極間的電位差為VBC，由下式求得。（6）二、實(shí)驗(yàn)中的副效應(yīng)及其消除方法：在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，因伴隨著多種副效應(yīng)，以致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的霍爾電極A、A′之間的電壓為VH與各副效應(yīng)電壓的疊加值，因此必須設(shè)法消除。（1）不等勢(shì)電壓降V0如圖2所示，由于測(cè)量霍爾電壓的A、A′兩電極不可能絕對(duì)對(duì)稱(chēng)地焊在霍爾片的兩側(cè)，位置不在一個(gè)理想的等勢(shì)面上，Vo可以通過(guò)改變Is的方向予以消除。（2）愛(ài)廷豪森效應(yīng)—熱電效應(yīng)引起的附加電壓VE圖2圖3構(gòu)成電流的載流子速度不同，又因速度大的載流子的能量大,所以速度大的粒子聚集的一側(cè)溫度高于另一側(cè)。電極和半導(dǎo)體之間形成溫差電偶,這一溫差產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)VE圖2圖3（3）能斯托效應(yīng)—熱磁效應(yīng)直接引起的附加電壓VNVH~~IM實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)數(shù)據(jù)記錄IS=3.00mAIM(mA)V1(mv)V2(mv)V3(mv)V4(mv)VH(mv)+B+IS-B+IS-B-IS+B-IS0.1001.48-0.920.92-1.481.20.2002.69-2.122.12-2.692.4050.3003.90-3.323.33-3.903.61250.4005.11-4.544.55-5.104.8250.5006.31-5.745.74-6.316.025在excel在excel中，線(xiàn)性擬合直線(xiàn)斜率k=12.07。k=KH*22.5*Is,所以KH=k/Is*22.5=12.07*10^3/3*22.5=178.8mv/mA*,RH=KH*d=0.03576m*mv/mA*Tn=1/(RH*e)=1.748*10^20mA*T/(m*mv*C)VBC測(cè)量數(shù)據(jù)IM=0mAIS(mA)0.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00VBC(mV)80163236314394471547622703775在在excel中，線(xiàn)性擬合直線(xiàn)斜率k=0.00129.電導(dǎo)率：б=k*l/s=6.47mA/m*mv.雙線(xiàn)圈磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)IS=3.00mAIM=0.500AX(mm）0461016203454V1(mv)6.376.296.136.035.174.882.370.38V2(mv)-5.74-5.75-5.58-5.47-4.61-4.34-1.82-0.17V3(mv)5.755.755.595.484.614.341.820.17V4(mv)-6.31-6.28-6.12-6.02-5.16-4.88-2.37-0.37VH(mv)6.02756.01755.8555.754.894.612.0950.545B(mT)11.2811.2611.0110.769.158.623.921.02通電螺線(xiàn)管磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)IS=3.00mAIM=0.500AX(mm）010203040506070V1(mv)3.413.413.403.393.373.333.233.12V2(mv)-2.80-2.79-2.78-2.77-2.75-2.71-2.64-2.50V3(mv)2.812.802.792.782.762.722.652.51V4(mv)-3.40-3.40-3.39-3.38-3.36-3.32-3.25-3.11VH(mv)3.1053.103.093.083.063.052.942.81B(mT)理論值6.0845.8485.825.815.7725.7535.5465.300【實(shí)驗(yàn)遇到的問(wèn)題及解決的方法】無(wú)法一開(kāi)始就知道通電螺線(xiàn)管的中心處處于哪個(gè)位置。需要自己移動(dòng)霍爾片觀測(cè)哪個(gè)位置的霍爾電壓最大，來(lái)確定通電螺線(xiàn)管的中心位置。三、實(shí)驗(yàn)小結(jié)【體會(huì)或收獲】了解了霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的方法，知道了在測(cè)量霍爾靈敏度時(shí)，有愛(ài)廷豪森效應(yīng)等副效應(yīng)及消除辦法，同時(shí)親自繪制了磁場(chǎng)分布圖。【實(shí)驗(yàn)建議】在利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，只配