实验四霍尔效应.docVIP

实验四 霍尔效应 一.实验目的 认识霍尔效应，理解产生霍尔效应的机理。 测绘霍尔元件的、曲线，了解霍尔电势差与霍尔元件工作电流、磁感应强度B及励磁电流之间的关系。 学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统。 二.实验原理 1．霍尔效应法测量磁场原理 一块长方形金属薄片或者半导体薄片，若在某方向上通入电流IS,在其垂直方向上加一磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差VH，这个现象称为霍尔效应。VH称为霍尔电压。它们之间有如下关系： 上式中，RH称为霍尔系数，d是薄片的厚度。 霍尔电压的产生可以用洛仑兹力来解释。如图4-1所示，半导体块的厚度为d、宽度为b，各种物理量的方向如图上所示，则自由电子以平均速度v沿x轴负方向作定向运动，所受洛仑兹力为 在此力的作用下自由电子向板的侧端面聚集，同时在另一个侧端面上出现同样的正电荷。这样就形成了一个沿y方向的横向电场，使自由电子同时也受到电场力FE的作用，即： 最后在平衡状态下，有：FB=FE，即 evB=eVH/b，化简得到：VH=vBb （1） 设块体内的载流子浓度n，则电流IS与载流子平均速v的关系为： （2） 将上式代入（1）得： 或者 （3） 其中，KH为霍尔元件的灵敏度。单位是V/(A·T)。 霍尔电压的VH测量方法(实验中的副效应) 在产生霍尔效应的同时，也伴随着各种副效应，所以实验测量的VH不是真实的霍尔电压值。因为测量霍尔电压的电极A和A?的位置难以做到在一个理想的等势面上，如图4-2所示： 因此，当有电流流过样品时，即使不加磁场也会产生附加电压,其中R为A和A?的两个等势面之间的电阻，VO的符号只与电流的方向有关，与磁场的方向无关。可以通过改变IS和B的方向消除VO。除副效应VO外，还有热效应、热磁效应等，不过这些效应除个别外，均可以通过改变IS和B的方向消除。 对霍尔电压VH的处理。在规定了电流和磁场的正反方向后，分别测量由以下四组不同反方向的IS和B的组合的VH，即： B + + ? ? IS + ? + ? V V1 V2 V3 V4 则： （4） 这种测量VH的方法称为“对称测量法”，求得的VH，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差很小，可以忽略不计（详见附录分析）。 二.实验仪器使用说明 仪器的组成 本仪器由励磁恒流元IM、样品工作恒流元IS、数字电流表、数字电压表、霍尔效应实验装置等组成。仪器主机面板分布如图一所示。 主机面板分布说明： IM恒流源 在面板的右侧，红黑接线柱分别表示该电源的输入和输出。右侧的数字表显示IM的电流值。单位：安培 IS恒流源 在面板的中侧，红黑接线柱分别表示该电源的输入和输出。中间的数字表显示IS的电流值。单位：毫安 VH输入 在面板的左侧，红黑接线柱分别为该VH测量输入端的正负极性。左侧的数字表显示VH的电压值。单位：毫伏 （4） “200mV”和“20mV”转换开关，此开关为量程转换开关。 2. 实验平台 （1）主机上的“VH输入”、“”和“”分别对应实验平台上的“霍尔电压”、“工作电压”和“励磁电流”。 注意：千万不要将IM和IS接错，否则IM电流将可能烧坏霍尔样品。 （2）仪器开机之前，先将“IS调节”和“IM调节”旋钮逆时针旋到底，使IS输出和IM输出均为最小。 （3）仪器接通电源后，预热五分钟。将电压测量量程转换开关拨置“20mA”档，然后将 电压测量输入短路，调整调零电位器使电压指示为零。 （4）“IS调节”“ IM调节”两旋钮分别用来控制样品的工作电流和励磁电流的大小，其电流值随旋钮顺时针方向的转动而增加，调节精度分别为“10μA”和“1mA”。 （5）仪器关机之前，先将“IS调节”和“IM调节”旋钮逆时针旋到底，然后切断电源。 三.实验内容 霍尔效应的输出特性测量 按图示连接好仪器。 调节霍尔效应元件探杆支架的X、Y方向的旋钮，慢慢的将霍尔效应元件移到励磁线圈的中心位置。 测绘VH-IS曲线 取IM=0.800A，并在测量过程中保持不变。依次按照表4-1所列数据调节IS，测出相应的V1、V2、V3、V4值，记入表4-1并绘制VH-IS曲线。根据（3）式它们应该成正比。 表4-1 IM=0.800A IS(mA) V1(mV) V2(mV) V3(mV) V4(mV) ＋B,+IS ＋B,-IS -B,+IS -B,-IS 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 (4) 测绘VH-IM曲线 取IS＝8.00mA，并