霍爾效應(yīng)實驗方法

1、實驗: 霍爾效應(yīng)與應(yīng)用設(shè)計 教學(xué)目標1. 通過實驗掌握霍爾效應(yīng)基本原理，了解霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)；2. 學(xué)會測量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)的實驗方法和技術(shù)；3. 學(xué)會用“對稱測量法”消除副效應(yīng)所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差的實驗方法。 實驗儀器1.THH型霍爾效應(yīng)實驗儀，主要由規(guī)格為>2500GS/A電磁鐵、N型半導(dǎo)體硅單晶切薄片式樣、樣品架、IS和IM換向開關(guān)、VH和V（即VAC）測量選擇開關(guān)組成。2.THH型霍爾效應(yīng)測試儀，主要由樣品工作電流源、勵磁電流源和直流數(shù)字毫伏表組成。教學(xué)重點1 霍爾效應(yīng)基本原理；2 測量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)的實驗方法；3 “對稱測量法”消除副效應(yīng)所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差的實驗方法。教學(xué)

2、難點1 霍爾效應(yīng)基本原理及霍爾電壓結(jié)論的電磁學(xué)解釋與推導(dǎo)；2 各種副效應(yīng)來源、性質(zhì)及消除或減小的實驗方法；3 用最小二乘法處理相關(guān)數(shù)據(jù)得出結(jié)論。教學(xué)過程（一）講授內(nèi)容：(1)霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：1879，霍爾在研究關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場中的受力性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)： “電流通過金屬，在磁場作用下產(chǎn)生橫向電動勢” 。這種效應(yīng)被稱為霍爾效應(yīng)。結(jié)論：(2)霍爾效應(yīng)的解釋：霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場。當載流子所受的橫電場力與洛侖茲力相等時，樣品兩側(cè)電荷的積累就達到平衡， （1） （2）由（1）、（

3、2）兩式可得： （3）比例系數(shù)稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強弱的重要參數(shù)， (3) 霍爾效應(yīng)在理論研究方面的進展1、量子霍爾效應(yīng)(Quantum Hall Effect)1980年，德國物理學(xué)家馮克利青觀察到在超強磁場（18T）和極低溫(1.5K）條件下,霍爾電壓 UH 與B之間的關(guān)系不再是線性的，出現(xiàn)一系列量子化平臺。 量子霍爾電阻獲1985年諾貝爾物理學(xué)獎！2、分數(shù)量子霍爾效應(yīng)1、1982年，美國AT&T貝爾實驗室的崔琦和斯特默發(fā)現(xiàn)：“極純的半導(dǎo)體材料在超低溫(0.5K)和超強磁場(25T)下，一種以分數(shù)形態(tài)出現(xiàn)的量子電阻平臺”。2、1983 年，同實驗室的勞克林提出準粒子理

4、論模型，解釋這一現(xiàn)象。獲1998年諾貝爾物理學(xué)獎（4）霍爾效應(yīng)的應(yīng)用隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的測量已成為研究半導(dǎo)體材料的主要方法之一。通過實驗測量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率可以判斷材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。若能測量霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系，還可以求出半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)電離能和材料的禁帶寬度。如今，霍爾效應(yīng)不但是測定半導(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)簡單、頻率響應(yīng)寬（高達10GHz）、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛用于非電量測量、自動控制和信息處理等方面。在工業(yè)生產(chǎn)要求自動檢測和控制的今天

5、，作為敏感元件之一的霍爾器件，將有更廣闊的應(yīng)用前景。（5）消除副效應(yīng)根據(jù)實驗內(nèi)容要求測量霍爾電壓引入關(guān)于“副效應(yīng)”問題。在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時，因伴隨著多種副效應(yīng)，以致實驗測得的霍爾電極A、A、之間的電壓為VH與各副效應(yīng)電壓的疊加值。指出：“副效應(yīng)”是影響測量的系統(tǒng)誤差，必須設(shè)法消除。已定系統(tǒng)誤差的原因通常是可以被發(fā)現(xiàn)的。因此，應(yīng)設(shè)法找出其根源，求其規(guī)律，通過修正公式，改進方法等加以排除和減小。分析“副效應(yīng)”產(chǎn)生的原因及其規(guī)律；（1）不等勢電壓降V0 ：（V0的符號與Is的方向有關(guān)，可通過改變Is的方向予以消除）(2) 愛廷豪森效應(yīng)熱電效應(yīng)引起的附加電壓VE（3）能斯脫效應(yīng)熱磁效應(yīng)直接引起的附加

6、電壓VN（4）里紀勒杜克效應(yīng)引起附加電壓VRL （VN、VRL與磁場的方向有關(guān)，可通過改變B的方向予以消除）對稱測量法具體方法是在規(guī)定了電流和磁場正、反方向后，分別測量由下列四組不同方向的IS和B的組合的A 、A´之間的電壓。設(shè)Is和B的方向均為正向時，測得A 、A´之間電壓記為V1，即： 當+IS、+B時 V1 = VH +VO +VN +VRL +VE當+IS、-B時 V2 =-VH +VO -VN -VRL -VE當-IS、-B時 V3 =VH -VO -VN -VRL +VE當-IS、+B時 V4 =-VH -VO +VN +VRL -VE求以上四組數(shù)據(jù)V1、V2、

7、V3和V4的代數(shù)平均值，可得 由于VE符號與IS和B兩者方向關(guān)系和VH是相同的，故無法消除，但在非大電流，非強磁場下，VH VE，因此VE可略而不計，所以霍爾電壓為：（6）實驗儀器介紹介紹實驗儀器裝置，講解操作方法及注意事項 實驗儀器裝置（7）實驗內(nèi)容1.恒定磁場，UHIs關(guān)系保持IM不變 取IM0.450A測繪VHIs曲線2. 恒定工作電流，UHIM關(guān)系保持Is不變 取Is4.50mA 測繪VHIM曲線3. 在零磁場下，測VACIs(mA)0.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00VAC(mV)（8）數(shù)據(jù)處理要求1.根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制規(guī)范的VHIs和VHIM特征曲線（直線） 2.用最小二乘法計算VHIs和VHIM直線斜率，由此計算霍爾系數(shù)RH和載流子濃度n。3.根據(jù)測量數(shù)據(jù)用最小二乘