物理实验报告3 利用霍尔效应测磁场.doc

薄实验名称:利用霍耳效应测磁场羂实验目的:罿 ;;“对称测量法”消除负效应的影响,测量试样的和曲线;、载流子浓度以及迁移率。莀蒆实验仪器:莅 TH-H型霍尔效应实验组合仪等。膂蒇实验原理和方法:膈 膄 ,一块切成矩形的半导体薄片长为、宽为、厚为,置于磁场中。磁场B垂直于薄片平面。若沿着薄片长的方向有电流通过,则在侧面A和B间产生电位差。此电位差称为霍尔电压。袈蚆半导体片中的电子都处于一定的能带之中,但能参与导电的只是导带中的电子和价带中的空穴,它们被称为载流子。对于N型半导体片来说,多数载流子为电子;在P型半导体中,多数载流子被称为空穴。再研究半导体的特性时,有事可以忽略少数载流子的影响。羃霍尔效应是由运动电荷在磁场中收到洛仑兹力的作用而产生的。以N型半导体构成的霍尔元件为例,多数载流子为电子,设电子的运动速度为,则它在磁场中收到的磁场力即洛仑兹力为莁艿F的方向垂直于和B构成的平面,并遵守右手螺旋法则,上式表明洛仑兹力F的方向与电荷的正负有关。莈自由电子在磁场作用下发生定向便宜,薄片两侧面分别出现了正负电荷的积聚,以两个侧面有了电位差。同时,由于两侧面之间的电位差的存在,由此而产生静电场,若其电场强度为,则电子又受到一个静电力作用,其大小为蚂蒁电子所受的静电力与洛仑兹力相反。当两个力的大小相等时,达到一种平衡即霍尔电势不再变化,电子也不再偏转,此时,蚀袆两个侧面的电位差螅薁由及以上两式得袇薈其中:n为单位体积内的电子数;e为电子电量;d为薄片厚度。蒄令霍尔器件灵敏度系数薁则芈若常数已知,并测定了霍尔电动势和电流就可由上式求出磁感应强度B的大小。羅上式是在理想情况下得到的,实际测量半导体薄片良策得到的不只是,还包括电热现象(爱廷豪森效应)和温差电现象(能斯特效应和里纪勒杜克效应)而产生的附加电势。另外,由于霍尔元件材料本身不均匀,霍尔电极位置不对称,即使不存在磁场的情况下(如下图所示),当有电流通过霍尔片时,P、Q两极也会处在不同的等位面上。因此霍尔元件存在着由于P、Q电位不相等而附加的电势,称之为不等电位差或零位误差。而这种不等电位差与其他附加电势相比较为突出。(1)迁移率芅在低电场下载流子的平均漂移速度与电场强度成正比,比例常数定义为载流子的漂移率,简称迁移率,以表示:螁聿在一般情况下,由电场作用产生的载流子的定向漂移运动形成的电流密度J与电场强度E成正比,比例常数定义为电阻率,电阻率的倒数称为电导率。膅肄电导率与载流子的浓度以及迁移率之间有如下关系:袁蒀即,测出值即可求。袇(2)由的符号(或霍尔电压的正负)判断样品的导电类型袃判别方法是按霍尔工作原理图所示的与的方向,若测得(即的电位低于A的电位),则为负,样品属于N型,反之则为P型。羀(3)由求载流子的浓度n薇。应该之处,这个关系是假设所有在载流子都具有相同的漂移速度得到的。严格一点,考虑到载流子的速度统计分布,需引入的修正因子。-沙伐尔定律(载流导线在空间谋得点磁感应强度和磁场的迭加原理,可求得通有电流的长直螺线管轴线上某点的磁感应强度为肇蚅当螺线管半径远小于其长度时,螺线管可看作无限长的,对于管的中部,则上式中,,则得。膀若在螺线管的一端,则荿蒅式中:;n为螺线管单位长度的匝数;的单位为安培,则磁感应强度B的单位为T(特斯拉,即)。莄膀实验装置简介:螀 TH-H型霍尔效应实验组合仪由实验仪和测试仪两大部分组成。芇 实验组合仪如下图所示。膃 规格为,磁铁线包的引线有星标者为头(见实验仪上图示),线包绕向为顺时针(操作者面对实验仪),根据线包绕向及励磁电流流向,可确定磁感应强度B的方向,而B的大小与的关系由生产厂家给定并表明在线包上。膁蚄芆 长度,单位长度的线圈匝数N(匝/米)标注在实验仪上。芇莆 样品材料为N型半导体硅单晶片, 样品共有三对电极,其中A,或C,用于测量霍尔电压,A,C或,用于测量电导;D,E为样品工作电流电极。各电极与双刀转接开关的接线见实验仪上图示说明。蚈 样品架具有X,Y调节功能及读数装置,样品放置的方位(操作者面对实验仪)如下图所示。肈螃薀 测试仪如下图所示。薆 (1)两组恒流源薂 “输出”为0~10mA样品工作电流源,“输出”为0~1A励磁电流源。两组电流彼此独立,两路输出电流大小通过调节旋钮及调节旋钮进行调节,二者均连续可调。其值可通过“测量选择”按键由同一数字电流表进行测量,按键测,