霍尔效应测量磁场实验报告

1【实验题目】通过霍尔效应测量磁场【实验目的】1、了解霍尔效应原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。2、学习用“对称测量法”消除付效应影响。3、根据霍尔电压判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，【实验仪器】QS-H霍尔效应组合仪【实验原理】1、通过霍尔效应测量磁场霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向)，当沿y方向的电极A、A上施加电流I时，薄片内定向移动的载流子(设平均速率为v)受到洛伦兹力BF的作用，BFqvB(1)无论载流子是负电荷还是正电荷，BF的方向均沿着x方向，在磁力的作用下，载流子发生偏移，产生电荷积累，从而在薄片B、B两侧产生一个电位差HV,形成一个电场E。电场使载流子又受到一个与FB方向相反的电场力EF，HEqVFqEb(2)其中b为薄片宽度，EF随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时EBFF，即HqVqvBb(3)这时在B、B两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压HV称为霍尔电压，电极B、B称为霍尔电极。另一方面，射载流子浓度为n,薄片厚度为d，则电流强度mI与v的关系为：mIbdnqv或mIvbdnq(4)由(3)和(4)可得到mI1HBVnqd(5)2另1Rne,则mIHBVRd(6)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：mIHHVKB(7)式中1HRKdned称为霍尔元件灵敏度，mI称为控制电流。由式(7)可见，若mI、HK已知，只要测出霍尔电压HV，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HV的正负可测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。2、霍尔效应实验中的付效应在实际应用中，伴随霍尔效应经常存在其他效应。例如实际中载流子迁移速率u服从统计分布规律，速度小的载流子受到的洛伦兹力小于霍尔电场作用力，向霍尔电场作用力方向偏转，速度大的载流子受到磁场作用力大于霍尔电场作用力，向洛伦兹力方向偏转。这样使得一侧告诉载流子较多，相当于温度较高，而另一侧低速载流子较多，相当于温度较低。这种横向温差就是温差电动势VE，这种现象称为爱延豪森效应。这种效应建立需要一定时间，如果采用直流电测量时会因此而给霍尔电压测量带来误差，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延豪森效应来不及建立，可以减小测量误差。此外，在使用霍尔元件时还存在不等位电动势引起的误差，这是因为霍尔电极B、B’不可能绝对对称焊在霍尔片两侧产生的。由于目前生产工艺水平较高，不等位电动势很小，故一般可以忽略，也可以用一个电位器加以平衡(图2.3.1-1中电位器R1)。我们可以通过改变IS和磁场B的方向消除大多数付效应。具体说在规定电流和磁场正反方向后，分别测量下列四组不同方向的IS和B组合的VBB’,即＋B，+I,VBB’=V1-B，+I,VBB’=-V2-B，-I,VBB’=V3＋B，-I,VBB’=-V4然后利用12341()4HVVVVV得到霍尔电压平均值，这样虽然不能消除所有的付效应，但其引入的误差不大，可以忽略不计。3、电导率测量测量方法如图3所示。设BC间距离为L，样品横截面积为S=bd，流经样品电流为mI0.15mA，在零磁场下0B，测得BC间电压为BCV,则：mIBCLVbd(8)3【实验内容及步骤】一、验证霍尔电压HV与工作电流mI、霍尔电压HV与磁场B（0MMBnIBI）即与MI的关系。1、将测试仪上MI输出，mI输出和HV输入三对接线柱分别与实验台上对应接线柱连接。打开测试仪电源开关，预热数分钟后开始实验。2、保持MI不变，取400MImA，mI取1.00,1.50……,4.50mA，将数据填入表1，测绘HmVI曲线，并计算0Bn即0B。3、保持mI不变，取3.0mImA，MI取0.101520253035A、0.、0.、0.、0.、0.，将数据填入表,2，测绘HMVI曲线。4、在零磁场下0B，取mI0.15mA，测BCV。5、确定样品导电类型。二、测量螺线管周围的磁场取3.0SImA，400MImA，霍尔元件放在磁场种不同位置X，分别测量霍尔电压HV。填入表2，计算出B，在坐标纸上画出BX曲线。【原始数据】3.0Lmm4.0bmm0.5dmmHK表1霍尔电压测量（400MImA，霍尔片放在磁场中最强的地方）单位：mVmI(mA)1(,)IMISV2(,)IMISV3(,)IMISV4(,)IMISV12341()4HVVVVV1.01.52.02.53.03.54表2霍尔电压测量（3.0mImA，霍尔片放在磁场中最强的地方）单位：mVMI(A)1(,)IMISV2(,)IMISV3(,)IMISV4(,)IMISV12341()4HVVVVV0.100.150.200.250.300.35表3霍尔元件放在磁场种不同位置X，测量霍尔电压HV(3.0SImA，400MImA)X(mm)-18-17-16-15-14-10-60610141617181(,)IMISV2(,)IMISV3(,)IMISV4(,)IMISVHV(mV)B(T)【实验数据处理】思考题若磁场不恰好与霍尔元件片底法线一致，对测量结果有何影响，如果用实验方法判断B与元件发现是否一致？能否用霍尔元件片测量交变磁场