霍尔效应应用实验报告.doc

一、名称:霍尔效应的应用二、目的:—Is,VH—IM曲线,了解霍尔电势差VH与霍尔元件工作电流Is,磁场应强度B及励磁电流IM之间的关系。。“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。三、器材:1、实验仪:(1)电磁铁。(2)样品和样品架。(3)Is和IM换向开关及VH、Vó切换开关。2、测试仪:(1)两组恒流源。(2)直流数字电压表。四、原理:霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。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方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横向电场,即霍尔电场HE。如图15-1所示的半导体试样,若在X方向通以电流SI,在Z方向加磁场B,则在Y方向即试样A-A/电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图所示的N型试样,霍尔电场逆Y方向,(b)的P型试样则沿Y方向。即有)(P0)()(N0)(型型????YEYEHH显然,霍尔电场HE是阻止载流子继续向侧面偏移,当载流子所受的横向电场力HeE与洛仑兹力Bve相等,样品两侧电荷的积累就达到动态平衡,故BveeEH?(1)其中HE为霍尔电场,v是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为b,厚度为d,载流子浓度为n,则bdvneIS?(2)由(1)、(2)两式可得:dBIRdBInebEVSHSHH???1(3)即霍尔电压HV(A、A/电极之间的电压)与BIS乘积成正比与试样厚度d成反比。比例系数neRH1?称为霍尔系数,它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出HV(伏)以及知道SI(安)、B(高斯)和d(厘米)可按下式计算HR(厘米3/库仑):RH=810?BIdVSH(4)上式中的108是由于磁感应强度B用电磁单位(高斯)而其它各量均采用CGS实用单位而引入。由于产生霍尔效应的同时,伴随多种副效应,以致实测的霍尔电场间电压不等于真实的VH值,因此必需设法消除。根据副效应产生的机理,采用电流和磁场换向的对称测量法基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。具体的做法是Is和B(即IM)的大小不变,并在设定电流和磁场的正反方向后,依次测量由下面四组不同方向的Is和B(即IM)时的V1,V2,V3,V4,1)+Is+BV12)+Is-BV23)-Is-BV34)-Is+BV4然后求它们的代数平均值,可得:44321VVVVVH????通过对称测量法求得的VH误差很小。另一方面,射载流子浓度为n,薄片厚度为d,则电流强度I与u的关系为:bdnquI?……(5),则可得到dIBnqVBB1??……(6),令nqR1?,则dIBRVBB??……(7),R称为霍尔系数,它体现了材料的霍尔效应大小。根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。在应用中,(6)常以如下形式出现:IBKVHBB??……(8),式中nqddRKH1??称为霍尔元件灵敏度,I称为控制电流。可见,若I、KH已知,只要测出霍尔电压VBB’,即可算出磁场B的大小;并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子,P型半导体多数载流子为空穴),则由VBB’的正负可测出磁场方向,反之,若已知磁场方向,则可判断载流