霍爾效應(yīng)實驗報告

1、南昌大學(xué)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(yīng)學(xué)院：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：實驗地點：座位號：實驗時間：一、實驗?zāi)康模?、了解霍爾效應(yīng)法測磁感應(yīng)強(qiáng)度I S 的原理和方法；2、學(xué)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(guān)、連接導(dǎo)線15 根。三、實驗原理：1、霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)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(dāng)帶電粒子（電子或空穴） 被約束在固體材料中， 這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致在垂直電流和磁場方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫加電

2、場，即霍爾電場EH .如果 EH 0，則說明載流子為空穴，即為p 型試樣。顯然霍爾電場 EH 是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)載流子所受的橫向電場力 e EH 與洛侖磁力 evB 相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到動態(tài)平衡，故有：e EH =- evB其中 EH 為霍爾電場， v 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Inevbd由上面兩式可得：1 ISBI S BVH EH bRH（3）nedd即霍爾電壓 VH（上下兩端之間的電壓） 與 I S B 乘積成正比與試樣厚度d 成反比。比列系數(shù) RH1 稱為霍爾系數(shù)，它是反應(yīng)材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參量。只要n

3、e測出 VH 以及知道 I S 、 B 和 d 可按下式計算 RH :RHVH d10 4I SB2、霍爾系數(shù) RH 與其他參量間的關(guān)系根據(jù) RH 可進(jìn)一步確定以下參量：（ 1）由 RH 的符號（或霍爾電壓的正負(fù)） 判斷樣品的導(dǎo)電類型。 判別方法是電壓為負(fù)， RH 為負(fù)，樣品屬于n 型；反之則為 p 型。（ 2）由 RH 求載流子濃度 n.即 n1這個關(guān)系式是假定所有載流子都具有相RH e同的漂移速度得到的。（ 3）結(jié)合電導(dǎo)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(guān)系ne即= RH,測出值即可求。3、霍爾效應(yīng)與材料性能的關(guān)系由上述可知，要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是選擇霍爾

4、系數(shù)大（即遷移率高、電阻率也較高）的材料。因RH,金屬導(dǎo)體和都很低；而不良導(dǎo)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(dǎo)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K H1來表示器件的靈敏度，K H 稱為霍爾ned靈敏度，單位為 mV mA T .4、伴隨霍爾效應(yīng)出現(xiàn)的幾個副效應(yīng)及消除辦法在研究固體導(dǎo)電的過程中，繼霍爾效應(yīng)之后又相繼發(fā)現(xiàn)了愛廷豪森效應(yīng)、能斯特效應(yīng)、理吉勒杜克效

5、應(yīng)，這些都屬于熱磁效應(yīng)?，F(xiàn)在介紹如下：（1）愛廷豪森效應(yīng)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(dǎo)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(yīng)產(chǎn)生的電壓的大小與電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的大小成正比，方向與 VH 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(yīng)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(yīng)， 使 x 方向產(chǎn)生溫度梯度。 電子將從熱端擴(kuò)散到冷端， 擴(kuò)散電子在磁場中的作用下

6、在橫向形成電場，從而產(chǎn)生電壓。電壓的正負(fù)與磁場B 有關(guān)，與電流 I 無關(guān)。（3）里紀(jì) -勒杜克效應(yīng)電壓由能斯特效應(yīng)引起的擴(kuò)散電流中的載流子速度不一樣，類似于愛廷豪森效應(yīng)，也將在 y 方向產(chǎn)生溫度梯度場， 導(dǎo)致產(chǎn)生一附加電壓， 電壓的正負(fù)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 有關(guān)，與電流I 無關(guān)。（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(yīng)。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(yīng)。電壓的正負(fù)只與電流有關(guān)，與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 無關(guān)。因為在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時

7、伴隨著各種副效應(yīng)，導(dǎo)致實驗測得的兩極間的電壓并不等于真實的霍爾電壓VH 值，而是包括各種副效應(yīng)所引起的附加電壓，因此必須設(shè)法消除。 根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)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(yīng)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I S 和 B 組合的 VA/A ( A/ ，A 兩側(cè)的電勢差）即B,I SVA/AV1B,I SVA/AV2B,I SV /AV3AB,I SV /AV4A然后求 V1、 V2、 V3、 V4 代數(shù)平均值，得：VHV1V2V3V44通過上述的測量方法，雖然還不能消除所有的副效應(yīng)，但引入的誤差不大，可以忽略不

8、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(guān)機(jī)前，測試儀的“ I調(diào)節(jié)”和“I 調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位（即逆時針SM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(jī)引線與對應(yīng)的雙刀開關(guān)之間的連線已經(jīng)制造好了，不能再動。（ 2）嚴(yán)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(yù)熱數(shù)分鐘，電流表顯示“.000

9、”（ 當(dāng)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IS 檔，電壓表所示的值即雖“ I S 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 VH 所示讀數(shù)為“不等勢”電壓值，它隨 I S 增大而增大， I S 換向， VH 極性改號。取 I S =2mA.(5) 置“測量選擇”與IM 擋（按鍵），順時針轉(zhuǎn)動“I M 調(diào)節(jié)”旋鈕，電流表變化范圍為 0-1A 此時 VH 值隨 I M 增大而增大， I M 換向， VH 極性改號。至此，應(yīng)將“ I M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 I S ，調(diào)節(jié) I S

10、2mA, 然后將“VH ，V 輸出”切換開關(guān)撥向 V 一側(cè)，測量 V 電壓； I S 換向， V 也改號。說明霍爾樣品的各電極工作正常，可進(jìn)行測量。將“ VH ， V 輸出”切換開關(guān)恢復(fù)VH 一側(cè)。2、測繪 VH - IS曲線將測試儀的“功能轉(zhuǎn)換”置VH ， I S 和 I M 換向開關(guān)擲向上方，表明I S 和 I M 均為正值。反之則為負(fù)。保持 I M =0.600A ，改變 I S 的值， I S 取值范圍為 1.00-4.00mA.將實驗測量值記錄表格。3、測繪 VH -IM 曲線保持 I S =3.00mA, 改變 I M 的值， I M 取值范圍為0.300-0.800A. 將測量數(shù)

11、據(jù)記入表格。4、測量 V 值將“VH ， V 輸出”撥向V 側(cè)，“功能轉(zhuǎn)換”置V .在零磁場下（I M =0 ），取 I S=2.00mA, 測量 V 。5、確定樣品導(dǎo)電類型將實驗儀三組雙刀開關(guān)擲向上方，取I S =2.00mA ， I M =0.600A. 測量 VA/ A 大小及極性，由此判斷樣品導(dǎo)電類型。6、求樣品的RH、n、和值7、測單邊水平方向磁場分布（I S =2.00mA， I M=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：繪制實驗曲線數(shù)據(jù)記錄表（）1.00-3.463.44-3.473.49-3.46501.50-5.225.15-5.185.

12、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：繪制實驗曲線數(shù)據(jù)記錄表（）0.30-5.255.20-5.185.24-5.21750.40-6.986.92-6.936.96-6.94750.50-8.728.62-8.648.65-8.65750.60-10.4510.34-10.3710.36-10.38000.70-12.2012.10-12.1912.12-12.15250.80-13.8413.80-13.9013.80-13.8350（ 2）畫出曲線和曲線。（ 3）記下樣品的相關(guān)參量、 、 值，根據(jù)在零磁場下，使測得的（即）值計算電導(dǎo)率。其中已知：、測得則（ 4）確定樣品的導(dǎo)電類型（ p 型還是 n 型）