物理实验报告3 利用霍尔效应测磁场.docx

实验名称:利用霍耳效应测磁场
实验目的:
;
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V-1和V-1曲线;
HSHM
:利用霍耳效应测磁场
实验目的:
;
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V-1和V-1曲线;
HSHM
、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:
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1、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
V=V-V。此电位差称为霍尔电压。
HAB
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
F二-evxB
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E,则电子又受到一个静电力作用,其大小为
x
F=eE
Ex
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,
E=BVx
两个侧面的电位差
V=EbHx
由I=nevbd及以上两式得
V=[1/(ned)]IH
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
V-1
HS
则
V=KIB
HH
若常数K已知,并测定了霍尔电动势卩口和电流I就可由上式求出磁感应强度B的大小。
HH
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V,还包括电热现H
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。

(1)迁移率卩
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,以卩表示:
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P,电阻率的倒数称为电导率b。
E二pJ
电导率与载流子的浓度以及迁移率