霍尔效应实验报告(DOC).docx

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本（专）科实验报告
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成 绩：
（实验报告目录）
实验名称
一、实验目的和要求
二、实验原理
三、主要实验仪器
四、实验内容及实验数据记录
五、实验数据处理与分析
六、质疑、建议
霍尔效应实验
：
、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数 ^
2、测绘霍尔元件的Vh Is, Vh Im曲线了解霍尔电势差 Vh与霍尔元件控制（工作）
电流Is、励磁电流Im之间的关系。
3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度 B及磁场分布。
4、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。
5 、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。
：
1、霍尔效应
Z
图1
霍尔效应是导电材料中的电流与 磁场相互作用而产生电动势的效应， 从本质上讲，霍尔效应是运动的带电 粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引 起的偏转。当带电粒子（电子或空穴） 被约束在固体材料中，这种偏转就导 致在垂直电流和磁场的方向上产生正 负电荷在不同侧的聚积，从而形成附 加的横向电场。
X负向运动。
如右图（1）所示，磁场B位于 的正向，与之垂直的半导体薄片上沿 X正向通以电流Is （称为控制电流或 工作电流），假设载流子为电子 （N1 半导体材料），它沿着与电流Is相反
由于洛伦兹力 九的作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于 y轴负方向的B侧偏转，
并使B侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。 与此同时运动的电子还受到由于两 种积累的异种电荷形成的反向电场力 fE的作用。随着电荷积累量的增加， fE增大，当两力
大小相等（方向相反）时， 九=-fE ,则电子积累便达到动态平衡。这时在 A、B两端面之
间建立的电场称为霍尔电场 Eh ,相应的电势差称为霍尔电压 Vh。
设电子按均一速度 V向图示的 X负方向运动，在磁场 B作用下，所受洛伦兹力为 fL =- eV B
式中e为电子电量， V为电子漂移平均速度， B为磁感应强度。
同时，电场作用于电子的力为 fE eEH eVH /l
式中Eh为霍尔电场强度， Vh为霍尔电压，l为霍尔元件宽度
当达到动态平衡时， fL fE Vb vh/i （i）
设霍尔元件宽度为l,厚度为d,载流子浓度为n,则霍尔元件的控制（工作）电流为
1s neVld （2）
1 I 一B I 一B
由(1),(2)两式可得 VH EHl 'UB Rh IsB (3)
ne d d
即霍尔电压Vh （A、B间电压）与Is、
B的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比
1 . 一. . .一
例系数Rh —称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，根据材料的电导 ne
率b =ne（i的关系，还可以得到：
Rh / （4）
式中 为材料的电阻率、科为载流子的迁移率，即 单位电场下载流子的运动速度,
般电子迁移率大于空穴迁移率，因此制作霍尔元件时大多采用 N型半导体材料。
当霍尔元件的材料和厚度确定时，设 KH Rh /d 1/ned （5）
将式（5）代入式（3）中得 VH KH 1sB （6）
式中Kh称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍 尔电势大小，其单位是[mV/mA T ], 一般要求KH愈大愈好。
若需测量霍尔元件中载流子迁移率，则有
V V L
Ei Vi
将（2）式、（5）式、⑺式联立求得
L Is
Kh — — （8）
l Vi
其中Vi为垂直于I s方向的霍尔元件两侧面之间的电势差， Ei为由V产生的电场强度，L、
l分别为霍尔元件长度和宽度。
由于金属的电子浓度 n很高，所以它的Rh或Kh都不大，因此不适宜作霍尔元件。此
外元件厚度d愈薄，Kh愈高，所以制作时，往往采用减少 d的办法来增加灵敏度，但不能
图(2)
认为d愈薄愈好，因为此时元件的输入和输出电 阻将会增加，这对错元件是不希望的。
应当注意，当磁感应强度B和元件平面法线 成一角度时（如图 2）,作用在元件上的有效磁 场是其法线方向上的分量 Bcos ,此时
Vh KhIsBcos （9）
所以一般在使用时应调整元件两平面方
位，使Vh达到最大，即。=0 ,
Vh =KhIsBC0S KhIsB
由式（9）可知，当控制（工作）电流 Is或磁感应强度 B,两者之一改变方向时，霍尔
图⑶
霍尔元件及引线。
电压Vh的方向随之改变；若两者方向同时改变， 则 霍尔电压VH极性不变。
霍尔元件测量磁场的基本电路如图 3，将霍尔元
件置于待测