霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告篇一：霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告篇二：霍爾效應(yīng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、名稱：霍爾效應(yīng)的應(yīng)用二、目的：1 .霍爾效應(yīng)原理及霍爾元件有關(guān)參數(shù)的含義和作用2.測(cè)繪霍爾元件的VHIs，VHIM曲線，了解霍爾電 勢(shì)差VH與霍爾元件工作電流Is，磁場(chǎng)應(yīng)強(qiáng)度B及勵(lì)磁電流 IM之間的關(guān)系。3.學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B 及磁場(chǎng)分布。4 .學(xué)習(xí)用“對(duì)稱交換測(cè)量法”消除負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生 的系統(tǒng)誤差。三、器材：1、實(shí)驗(yàn)儀：（1）電磁鐵。（2）樣品和樣品架。（3） Is和IM換向開關(guān)及VH、V6切換開關(guān)。2、測(cè) 試儀：（1）兩組恒流源。（2）直流數(shù)字電壓表。四、原理：霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖

2、茲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)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)方向上產(chǎn) 生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)，即霍爾電場(chǎng) EH。如圖15-1所示的半導(dǎo)體試樣，若在X方向通以電流IS， 在Z方向加磁場(chǎng)B，則在Y方向即試樣A-A/電極兩側(cè)就開始聚集異號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng)。電場(chǎng)的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。對(duì)圖所示的N型試樣，霍爾電 場(chǎng)逆Y方向，（b）的P型試樣則沿Y方向。即有EH0EH0顯然，霍爾電場(chǎng)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(chǎng)力eEH與洛侖茲力eB相等，樣品兩側(cè) 電荷的積累就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，故eEH?eB （1）其中EH為霍爾

3、電場(chǎng)，v是載流子在電流方 向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n，則IS?nebd（2） 由（1）、（2）兩式可得：VH1ne?EHb?1ISBned?RHISBd即霍爾電壓VH（A、A /電極之間的電壓）與ISB乘積 成正比與試樣厚度d成反比。比例系數(shù)RH稱為只要測(cè)出VH （伏）以及知道IS （安）、B （高斯）和d （厘米）可按下式計(jì)算RH （厘米3/庫(kù)侖）：RH =VHdISB?108（4）上式中的108是由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B用電磁單位（高斯） 而其它各量均采用CGS實(shí)用單位而引入。由于產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，伴隨多種副效應(yīng)，以致實(shí)測(cè) 的霍爾電場(chǎng)間電壓不等于真實(shí)的VH值，因

4、此必需設(shè)法消除。 根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，采用電流和磁場(chǎng)換向的對(duì)稱測(cè)量法 基本上能把副效應(yīng)的影響從測(cè)量結(jié)果中消除。具體的做法是 Is和B （即IM）的大小不變，并在設(shè)定電流和磁場(chǎng)的正反方 向后，依次測(cè)量由下面四組不同方向的Is和B （即IM）時(shí) 的 VI，V2，V3，V4，1） +Is +BV1 2） +Is -B V2 3） -Is -BV3 4） -Is +B V4然后求它們的代數(shù)平均值，可得：VH?V1?V2?V3?V44通過(guò)對(duì)稱測(cè)量法求得的VH誤差很小。另一方面，射載流子濃度為。,薄片厚度為d,則電流強(qiáng)度I 與u的關(guān)系為：I?bdnqu?，則可得到 VBB?lIBnqd?，令 R?lnq

5、，則 VBB?RIBd?，R稱為霍爾系數(shù)，它體現(xiàn)了材料的霍爾效應(yīng)大小。根據(jù) 霍爾效應(yīng)制作的元件稱為霍爾元件。在應(yīng)用中，常以如下形式出現(xiàn)：VBB?KHIB ?，式中K 為霍爾元件靈敏度，I稱為控制電流?？梢姡鬒、KH已知，只要測(cè)出霍爾電壓VBB，即可 算出磁場(chǎng)B的大??；并且若知載流子類型，則由VBB的正 負(fù)可測(cè)出磁場(chǎng)方向，反之，若已知磁場(chǎng)方向，則可判斷載流 子類型。由于霍爾效應(yīng)建立所需時(shí)間很短，因此霍爾元件使用交流 電或者直流電都可。指示交流電時(shí)，得到的霍爾電壓也是交 變的，I和VBB應(yīng)理解為有效值。HRd?1nqd稱五、步驟：1、測(cè)量霍耳電壓VH與工作電流IS的關(guān)系。對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行調(diào)零。將測(cè)試

6、儀的“IS調(diào)節(jié)”和“IM調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位，待開機(jī)數(shù)分鐘后若VH顯示不為零，可通過(guò)面板左下方小孔的“調(diào)零”電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)零，即“0.00”。測(cè)繪VH-IS曲線。將實(shí)驗(yàn)儀的“VH，V?”切換開關(guān)投向VH側(cè)，測(cè) 試儀的“功能切換”置VH，保持IM值不變（取IM=0.6A），繪制VH-IS曲線。2、測(cè)量霍耳電壓VH與工作電流IM的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)儀與測(cè)試儀各開關(guān)位置同上。保持半導(dǎo)體的電流IS 不變（取=300mA），繪制VH-IM曲線。3、測(cè)量V?值。將切換開關(guān)“VH，V?”投向V?側(cè)，“功能切換”置V?。在零IS磁場(chǎng)下，取IS=2.00mA，測(cè)量V?。4、確定樣品的導(dǎo)電類型。將實(shí)驗(yàn)儀三組雙刀開關(guān)均投向 上

7、方，即IS沿X方向，B沿Z方向。毫伏表測(cè)量電壓為VAA?。 取IS=2.00mA IM=0.6A，測(cè)量VH大小及極性，判斷樣品 導(dǎo)電類型。5、求樣品RH，n，?，值。六、記錄：1 .測(cè)繪 UH?IS 曲線，保持 IM=0.6A、IS=1.004.00mA 不變，在表格中記錄霍2.測(cè)繪UHIM 曲線，保持Is=3.00mA； Im=0.3000.800A不變，在表格 中記測(cè)得：V?=130.6mVVh=-5.40mV七、數(shù)據(jù)處理：1、根據(jù)數(shù)據(jù)表作出曲線圖：2、在零磁場(chǎng)下，取IS=2.00mA，測(cè)出V?=130.6mV3、確定樣品的導(dǎo)電類型。測(cè)出霍耳電壓VH=-5.40mV0, 故樣品屬N型。4、

8、求樣品RH，n，?，值。由RH?得RH?6.15?10?3RH?6?6.02?10?3故RH=?216.09?10?3=?6.09?10 (Vm/AT)?19?3(2) n? (3) ?=IRHIeISLU?S?1.6?10?1.03?10)?22.06?IRHI?6.09?10?3?22.06?0.13八、預(yù)習(xí)思考題：1、霍耳元件為什么要用半導(dǎo)體材料，而且要求做得很 ?。炕魻栯妷菏侨绾萎a(chǎn)生的？答：半導(dǎo)體材料的遷移率?高，電阻率?適中，是制造霍耳 器件較理想的材料。2、工作電流和磁場(chǎng)為什么要換向？實(shí)際操作時(shí)如何實(shí) 現(xiàn)？答：為了把產(chǎn)生霍耳效應(yīng)的時(shí)候所伴隨的副效應(yīng)的影響 從測(cè)量的結(jié)果中消除。實(shí)際操

9、作時(shí)通過(guò)切換實(shí)驗(yàn)儀三組雙刀 開關(guān)改變電流和磁場(chǎng)的方向。U?分別表示什么含義？ IS、IM的作用分別是什么？ UH、 3、回答 IS、IM、答：IS表示樣品工作電流；IM表示勵(lì)磁電流；UH表示 存在磁場(chǎng)時(shí)的霍耳電壓；U?表示在零磁場(chǎng)下的霍耳電壓。IS 的作用是改變電流大小和方向，IM的作用是改變磁場(chǎng)的大 小及方向。篇三：北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告：霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饣魻栃?yīng)的基本原理 學(xué)習(xí)用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)【儀器用具】?jī)x器名 參數(shù) 電阻箱？霍爾元件？導(dǎo)線？SXG-1B毫特斯拉儀土 PF66B型數(shù)字多用表200 mV檔土 DH1718D-2型雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源032V 0

10、2AFluke 15B數(shù)字萬(wàn)用表電流檔土 Victor VC9806+數(shù)字萬(wàn) 用表200mA檔土【實(shí)驗(yàn)原理】霍爾效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)原理若將通有電流的導(dǎo)體至于磁場(chǎng)B之中，磁場(chǎng)B垂直于電 流IS的方向，如圖1所示則在導(dǎo)體中垂直于B和IS方向?qū)?出現(xiàn)一個(gè)橫向電位差UH，這個(gè)現(xiàn)象稱之為霍爾效應(yīng)。圖1霍爾效應(yīng)示意圖若在x方向通以電流IS，在z方向加磁場(chǎng)B，則在y方 向A、A兩側(cè)就開始聚積異號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng). 當(dāng)載流子所受的橫向電場(chǎng)力FE洛倫茲力FB相等時(shí)：? ?x?=此時(shí)電荷在樣品中不再偏轉(zhuǎn)，霍爾電勢(shì)差就有這個(gè)電場(chǎng) 建立起來(lái)。N型樣品和P型樣品中建立起的電場(chǎng)相反，如 圖1所示，所以霍爾電勢(shì)差有不同

11、的符號(hào)，由此可以判斷霍 爾元件的導(dǎo)電類型。設(shè)P型樣品的載流子濃度為p，寬度為w，厚度為的d。通過(guò)樣品電流IS=pqvwd，則空穴速率v=IS/pqwd，有U?=?其中RH=1/pq稱為霍爾系數(shù)，KH=RH/d=1/pqd稱為霍爾 元件靈敏度?；魻栐母毙?yīng)及其消除方法在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，會(huì)伴隨一些熱磁副效應(yīng)，這些熱磁 效應(yīng)有：埃廷斯豪森效應(yīng)：由于霍爾片兩端的溫度差形成 的溫差電動(dòng)勢(shì)UE能斯特效應(yīng)：熱流通過(guò)霍爾片在其端會(huì)產(chǎn) 生電動(dòng)勢(shì)UN里吉一勒迪克效應(yīng)：熱流通過(guò)霍爾片時(shí)兩側(cè)會(huì)有溫度差 產(chǎn)生，從而又產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)UR除此之外還有由于電極不在同一等勢(shì)面上引起的不等位 電勢(shì)差U0為了消除副效應(yīng)，在操作

12、時(shí)我們需要分別改變IH和B的 方向，記錄4組電勢(shì)差的數(shù)據(jù)當(dāng)IH正向，B正向時(shí)：?1=+?0+當(dāng)IH 負(fù)向，B 正向時(shí)：？?2=0?+?+?當(dāng) IH 負(fù)向，B負(fù)向時(shí)：?3=0+當(dāng)IH正向，B負(fù)向時(shí)：?4=+?0取平均值有1測(cè)量電路?12+?34 =?+?-?測(cè)量電路圖2霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)電路圖霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路圖如圖所示。IM是勵(lì)磁電流，由直 流穩(wěn)流電源E1提供電流，用數(shù)字萬(wàn)用表安培檔測(cè)量IM。IS 是霍爾電流，由直流穩(wěn)壓電源E2提供電流，用數(shù)字萬(wàn)用表 毫安檔測(cè)量IS，為了保證IS的穩(wěn)定，電路中加入電阻箱R 進(jìn)行微調(diào)。UH是要測(cè)的霍爾電壓，接入高精度的數(shù)字多用 表進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)原理的說(shuō)明，在實(shí)驗(yàn)中

13、需要消除副效應(yīng)。實(shí)際操作 中，依次將IS、IM的開關(guān)K1、K2置于、狀態(tài)并記錄Ui 即可，其中+表示正向接入，？表示反向接入?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1.測(cè)量霍爾電流IS和霍爾電壓UH的關(guān)系將霍爾片置于電磁鐵靠近中心處（便于稍后測(cè)量磁 場(chǎng)）調(diào)節(jié) IM=0.598 A，調(diào)節(jié) R 及 E2 使得 IS=2 4 6 8 10 mA，測(cè)量并記錄霍爾電壓UH，每次消除副效應(yīng)更換輸入端口，重復(fù)1.2的操作1.4.作出UH-IS圖， 驗(yàn)證其線性關(guān)系2.測(cè)量KH保持 IS=10 mA IM=0.1 A調(diào)節(jié)IM使其從0.11.0A每間隔0.1A分別測(cè)量并記 錄磁場(chǎng)強(qiáng)度B和霍爾電壓UH。每次測(cè)量旋轉(zhuǎn)探頭使得讀數(shù)最大，以保證探頭霍 爾片垂直于磁場(chǎng)2.3.根據(jù)原理中給出的線性擬合得到KH2.4.由得到的KH，根據(jù)在不同IM時(shí)測(cè)得的UH計(jì)算B， 作出B-IM曲線3.測(cè)量磁場(chǎng)的水平分布3.1.保持IM =0.6 A IS=10 mA讀取并記錄支架水平標(biāo)尺讀數(shù)x和霍爾電壓UH旋轉(zhuǎn)旋鈕，使