霍尔效应实验报告DOC.docx

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本(专)科实验报告

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（实验报告目录）实验名称

一、实验目的和要求二、实验原理

三、主要实验仪器

四、实验内容及实验数据记录五、实验数据处理与分析

六、质疑、建议

霍尔效应实验

一．实验目的和要求：

1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数.

2、测绘霍尔元件的V

H

I，V

s H

I 曲线了解霍尔电势差V

M H

与霍尔元件控制（工作）

电流I

s

、励磁电流I

M

之间的关系。

3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。

4、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。

5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。

二．实验原理：

1、霍尔效应

zYxBAf

z

Y

x

B

A

fE

l

V

IS

VH

fL

B

L

图 1

如右图（1）所示，磁场B位于Z d

的正向，与之垂直的半导体薄片上沿

X正向通以电流I （称为控制电流或

s

工作电流），假设载流子为电子（N型

半导体材料），它沿着与电流I

s

相反的X负向运动。

由于洛伦兹力f

L

的作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，

并使B侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两

种积累的异种电荷形成的反向电场力f

E

的作用。随着电荷积累量的增加，f

E

增大，当两力

大小相等（方向相反）时，f

L

=-f

E

，则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之

间建立的电场称为霍尔电场E

H

，相应的电势差称为霍尔电压V 。

H

设电子按均一速度V向图示的X负方向运动，在磁场 B作用下，所受洛伦兹力为

f =-eVB

L

式中e为电子电量，V为电子漂移平均速度，B为磁感应强度。

同时，电场作用于电子的力为 f

E

??eE

H

??eV /l

H

式中E

H

为霍尔电场强度，V

H

为霍尔电压，l为霍尔元件宽度

当达到动态平衡时，f

L

??f

E

VB?V

H

/l （1）

设霍尔元件宽度为l，厚度为d，载流子浓度为n，则霍尔元件的控制（工作）电流为

I ?neVld （2）

s

由（1），（2）两式可得 V

?E l?

1 IB

s ?R

IB

s （3）

H H ne d H d

即霍尔电压V （A、B间电压）与I、B的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比

H s

1

例系数R

H

? 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，根据材料的电导

ne

率σ=neμ的关系，还可以得到：

R ??/???? （4）

H

式中?为材料的电阻率、μ为载流子的迁移率，即单位电场下载流子的运动速度，一

般电子迁移率大于空穴迁移率，因此制作霍尔元件时大多采用N型半导体材料。

当霍尔元件的材料和厚度确定时，设K

H

?R /d?1/ned （5）

H

将式（5）代入式（3）中得 V

H

?K I

H s

B （6）

式中K 称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍

H

尔电势大小，其单位是[mV/mA?T]，一般要求K

H

若需测量霍尔元件中载流子迁移率μ,则有

愈大愈好。

E??V

E

I

?V?L

VI

V

(7)

将(2)式、(5)式、(7)式联立求得

L I

??K ? ? S

（8）

IH l V

I

其中V为垂直于I方向的霍尔元件两侧面之间的电势差，E为由V产生的电场强度，L、

I S I I

l分别为霍尔元件长度和宽度。

由于金属的电子浓度n很高，所以它的R

H

或K 都不大，因此不适宜作霍尔元件。此

H

外元件厚度d愈薄，K

H

愈高，所以制作时，往往采用减少d的办法来增加灵敏度，但不能

θI VH认为

θ

I VH

应当注意，当磁感应强度B和元件平面法线成一角度时（如图2），作用在元件上的有效磁场是其法线方向上的分量Bcos?，此时

V ?K

H H

IBcos? (9)

s

所以一般在使用时应调整元件两平面方

位，使V

H

达到最大，即θ=0， 图(2)

V =K

H H

IBcos??K IB

s H s

由式（9）可知，当控制（工作）电流Is或磁感应强度B，两者之一改变方向时，霍尔

电压V 的方向随之改变；若两者方向同时改变，则

Hm

H

m

v

V

H

Is

霍尔电压V 极性不变。

H

霍尔元件测量磁场