物理实验报告3_利用霍尔效应测磁场_图文.doc

实验名称:利用霍耳效应测磁场实验目的: a .了解产生霍耳效应的物理过程; b .学习用霍尔器件测量长直螺线管的轴向磁场分布; c .学习用“对称测量法”消除负效应的影响,测量试样的 SHIV?和MHIV?曲线; d .确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。实验仪器: TH-H 型霍尔效应实验组合仪等。实验原理和方法: 1. 用霍尔器件测量磁场的工作原理如下图所示,一块切成矩形的半导体薄片长为 l 、宽为 b 、厚为 d ,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 I 通过,则在侧面 A和B 间产生电位差 BAHVVV??。此电位差称为霍尔电压。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。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 v , 则它在磁场中收到的磁场力即洛仑兹力为B evF m??? F 的方向垂直于 v 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。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 xE ,则电子又受到一个静电力作用,其大小为 xE eE F?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, BV E x?两个侧面的电位差 bEV xH?由 nevbd I?及以上两式得 BHI ned V )] /(1[?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。令霍尔器件灵敏度系数 SHIV?则 IBKV HH?若常数 HK 已知, 并测定了霍尔电动势 HV 和电流 I 就可由上式求出磁感应强度 B 的大小。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 HV , 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 I 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。 2 .霍尔元件的有关参数(1 )迁移率?在低电场下载流子的平均漂移速度 v 与电场强度 E 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: Ev??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?。JE??电导率与载流子的浓度以及迁移率之间有如下关系: ??ne?即dK H???,测出?值即可求?。(2 )由 HK 的符号(或霍尔电压的正负)判断样品的导电类型判别方法是按霍尔工作原理图所示的 I 与B 的方向, 若测得 0? H