霍爾效應實驗報告

南昌大學物理實驗報告課程名稱： 普通物理實驗（2） 實驗名稱： 霍爾效應 學院： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學號： 實驗地點： 座位號： 實驗時間： 一、 實驗目的：1、了解霍爾效應法測磁感應強度的原理和方法；2、學會用霍爾元件測量通電螺線管軸向磁場分布的基本方法；二、 實驗儀器：霍爾元件測螺線管軸向磁場裝置、多量程電流表2只、電勢差計、滑動變阻器、雙路直流穩(wěn)壓電源、雙刀雙擲開關、連接導線15根。三、 實驗原理：1、霍爾效應霍爾效應本質(zhì)上是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖磁力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)導致在垂直電流和磁場方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫加電場，即霍爾電場. 如果0，則說明載流子為空穴，即為p型試樣。顯然霍爾電場是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當載流子所受的橫向電場力e與洛侖磁力相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就達到動態(tài)平衡，故有： e=- 其中EH為霍爾電場，是載流子在電流方向上的平均速度。若試樣的寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，則 由上面兩式可得： （3）即霍爾電壓（上下兩端之間的電壓）與乘積成正比與試樣厚度d成反比。比列系數(shù)稱為霍爾系數(shù)，它是反應材料霍爾效應強弱的重要參量。只要測出以及知道、B和d可按下式計算:2、霍爾系數(shù)與其他參量間的關系根據(jù)可進一步確定以下參量：（1） 由的符號（或霍爾電壓的正負）判斷樣品的導電類型。判別方法是電壓為負，為負，樣品屬于n型；反之則為p型。（2） 由求載流子濃度n.即 這個關系式是假定所有載流子都具有相同的漂移速度得到的。（3） 結(jié)合電導率的測量，求載流子的遷移率與載流子濃度n以及遷移率之間有如下關系 即=,測出值即可求。3、霍爾效應與材料性能的關系由上述可知，要得到大的霍爾電壓，關鍵是選擇霍爾系數(shù)大（即遷移率高、電阻率也較高）的材料。因,金屬導體和都很低；而不良導體雖高，但極小，所以這兩種材料的霍爾系數(shù)都很小，不能用來制造霍爾器件。半導體高，適中，是制造霍爾元件較為理想的材料，由于電子的遷移率比空穴遷移率大，所以霍爾元件多采用n型材料，其次霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍爾元件的輸出電壓較片狀要高得多。就霍爾器件而言，其厚度是一定的，所以實用上采用來表示器件的靈敏度，稱為霍爾靈敏度，單位為.4、伴隨霍爾效應出現(xiàn)的幾個副效應及消除辦法在研究固體導電的過程中，繼霍爾效應之后又相繼發(fā)現(xiàn)了愛廷豪森效應、能斯特效應、理吉勒杜克效應，這些都屬于熱磁效應?，F(xiàn)在介紹如下：（1）愛廷豪森效應電壓愛廷豪森發(fā)現(xiàn)，由于載流子速度不同，在磁場的作用下所受的洛侖磁力不相等，快速載流子受力大而能量高，慢速載流子受力小而能量低，因而導致霍爾元件的一端較為另一端溫度高而形成一個溫度梯度場，從而出現(xiàn)一個溫差電壓。此效應產(chǎn)生的電壓的大小與電流I、磁感應強度B的大小成正比，方向與一致。因此在實驗中無法消去，但電壓值一般較小，由它帶來的誤差約為5%左右。（2）能斯特效應電壓由于電流輸入輸出兩引線端焊點處的電阻不可能完全相等，因此通電后會產(chǎn)生不同的勢效應，使x方向產(chǎn)生溫度梯度。電子將從熱端擴散到冷端，擴散電子在磁場中的作用下在橫向形成電場，從而產(chǎn)生電壓。電壓的正負與磁場B有關，與電流I無關。（3）里紀-勒杜克效應電壓由能斯特效應引起的擴散電流中的載流子速度不一樣，類似于愛廷豪森效應，也將在y方向產(chǎn)生溫度梯度場，導致產(chǎn)生一附加電壓，電壓的正負與磁感應強度B有關，與電流I無關。（4）不等勢電勢差不等勢電勢差是由于霍爾元件的材料本身不均勻，以及電壓輸出端引線在制作時不可能絕對對稱焊接在霍爾片的兩側(cè)所引起的。這時即使不加磁場也存在這種效應。若元件制作不好，有可能有著相同的數(shù)量級，因此不等勢電勢差是影響霍爾電壓的一種最大的副效應。電壓的正負只與電流有關，與磁感應強度B無關。因為在產(chǎn)生霍爾效應的同時伴隨著各種副效應，導致實驗測得的兩極間的電壓并不等于真實的霍爾電壓值，而是包括各種副效應所引起的附加電壓，因此必須設法消除。根據(jù)副效應產(chǎn)生的機理可知，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(jié)果中消除。即在規(guī)定了電流和磁場正反向后，分別測量由下列四組不同方向的和B組合的(，A兩側(cè)的電勢差）即 然后求代數(shù)平均值，得：通過上述的測量方法，雖然還不能消除所有的副效應，但引入的誤差不大，可以忽略不計。四、 實驗內(nèi)容：1、掌握儀器性能，連接測試儀與實驗儀之間的各組連線（1）開、關機前，測試儀的“調(diào)節(jié)”和“調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位（即逆時針旋轉(zhuǎn)到底）；（2）按課本裝置圖連接測試儀和實驗儀之間各組連線。注意：（1）樣品各電機引線與對應的雙刀開關之間的連線已經(jīng)制造好了，不能再動。（2）嚴禁將測試儀的勵磁電流的輸出接口誤接到實驗儀的其他輸入輸出端口，否則一旦通電，霍爾樣品會被立即損毀。本實驗樣品的尺寸為：d=0.5mm,b=4.0mm,l=3.0mm。本實驗霍爾片已處于空隙中間，不能隨意改變y軸方向的高度，以免霍爾片與磁極間摩擦而受損。（3）接通電源，預熱數(shù)分鐘，電流表顯示“.000”（當按下“測量選擇”鍵時）或“0.00”（放開“測量選擇”鍵時）。（4）置“測量選擇”與檔，電壓表所示的值即雖“調(diào)節(jié)”旋鈕順時針轉(zhuǎn)動而增大，其變化范圍為0-10mA時電壓表所示讀數(shù)為“不等勢”電壓值，它隨增大而增大，換向，極性改號。取=2mA. (5)置“測量選擇”與擋（按鍵），順時針轉(zhuǎn)動“調(diào)節(jié)”旋鈕，電流表變化范圍為0-1A此時值隨增大而增大，換向，極性改號。至此，應將“調(diào)節(jié)”旋鈕置零位（即逆時針旋轉(zhuǎn)到底）。 (6)放開測量選擇鍵，再測，調(diào)節(jié)2mA,然后將“，輸出”切換開關撥向一側(cè)，測量電壓；換向，也改號。說明霍爾樣品的各電極工作正常，可進行測量。將“，輸出”切換開關恢復一側(cè)。 2、測繪-曲線將測試儀的“功能轉(zhuǎn)換”置，和換向開關擲向上方，表明和均為正值。反之則為負。保持=0.600A，改變的值，取值范圍為1.00-4.00mA.將實驗測量值記錄表格。 3、測繪-曲線保持=3.00mA,改變的值，取值范圍為0.300-0.800A.將測量數(shù)據(jù)記入表格。 4、測量值將“，輸出”撥向側(cè)，“功能轉(zhuǎn)換”置.在零磁場下（=0），取=2.00mA,測量。 5、確定樣品導電類型將實驗儀三組雙刀開關擲向上方，取=2.00mA，=0.600A.測量大小及極性，由此判斷樣品導電類型。 6、求樣品的、n、和值 7、測單邊水平方向磁場分布（=2.00mA，=0.600A）五、 實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理：（1）數(shù)據(jù)記錄參數(shù)表。 表1：繪制VH-IS實驗曲線數(shù)據(jù)記錄表（IM=0.6A）IS/mAV1/mVV2/mVV3/mVV4/mVVH/mV+B,+IS-B,+IS-B,-IS+B,-IS1.00-3.463.44-3.473.49-3.46501.50-5.225.15-5.185.20-5.18752.00-6.956.86-6.886.94-6.90752.50-8.718.59-8.578.68-8.63753.00-10.4410.31-10.3010.33-10.34503.50-12.1411.99-12.0512.12-12.07504.00-13.8613.72-13.8013.77-13.7875表2：繪制VM-IS實驗曲線數(shù)據(jù)記錄表（IS=3mA）IM/A V1/mVV2/mVV3/mVV4/mVVH/mV+B,+IS-B,+IS-B,-IS+B,-IS0.30-5.255.20-5.185.24-5.21750.40-6.986.92-6.936.96-6.94750.50-8.728.62-8.648.65-8.65750.60-10.4510.34-10.3710.36-10.38000.70-12.2012.10-12.1912.12-12.15250.80-13.8413.80-13.9013.80-13.8350（2）畫出VH-IS曲線和VM-IS曲線。（3）記下樣品的相關參量d、b、l值，根據(jù)在零磁場下，IS=2mA使測得的VAC（即V）值計算電導率。其中已知：d=0.5mm、b=4mm、l=3mm測得V=142.9mV則=ISlVbd=20.99-1m-1（4）確定樣品的導電類型（p型還是n型）。由霍爾電壓的正負判斷為n型（5）從測試儀電磁鐵的線包上查出B的大小與IM的關系，并求RH（IM=0.6A,IS=2mA）、n和值。B的大小與IM的關系為B/IM=4.37KGS/A.IM=0.6A,IS=2mA時VH=-6.9075mV得RH=VHdISB104=-2.622c