ywh霍尔效应及霍尔元器件基本参数测定

1实验10Page962一、实验目的1.了解霍尔效应原理以及霍尔器件对材料的要求2.测元件的霍尔系数、载流子浓度及迁移率3.确定导电类型4.了解对称测量法3二、实验原理41879年,美国物理学家霍尔(E.H.HaLL)发现：BIs⊥BIs为什么出现霍尔电压？运动电荷受磁场力的作用有关5洛伦兹力•荷兰物理学者亨德里克·洛伦兹提出。•定义：磁场对运动电荷的作用力。运动(v)电荷(q)在磁场(B)中所受到的力（F）。•计算洛伦兹力：FB=qvB6洛伦兹力FB=qvB的方向判断：右手定则：四指方向V方向四指弯曲方向B方向大拇指方向确定F方向q正大拇指方向=FB方向q负大拇指反方向=FB方向7霍尔效应N型半导体(Negative)：电子为载流子F洛(B)-veB测得霍尔电压为负(negative)ss8测得霍尔电压为正（positive)BP型半导体（positive）：空穴为载流子ss9疑问？霍尔电压可测或可计算？霍尔电压与哪些因素有关？与直流电流有关吗？与磁场有关吗？与元件有关吗？F洛b:霍尔片高度d:霍尔片宽度V1V2ss10F洛b:霍尔片高度d:霍尔片宽度E:电场强度1、霍尔电压(VH=V1-V2):计算霍尔电压：VH=bEP型半导体：空穴为载流子V1V2怎么求电场强度E？可测，可计算？ss11F洛平衡时F洛=Fen载流子数密度霍尔电压V1-V2=bEE=？运动电荷速度v=？V1V2ss12F洛n载流子数密度S=bd为霍尔片截面积d为霍尔片宽度得：霍尔电压VH=RHISBd其中RH=ne1s运动电荷速度v=？霍尔电压VH=bE=bvB霍尔系数RH13问：怎么用可测的VH求霍尔系数RH？霍尔系数：•反映霍尔效应强弱；•其符号决定于试件中载流子是带正电荷（空穴）或负电荷（电子）。与电流、磁场强度、霍尔片有关？142、求霍尔系数RHB=kIm(k已知，为B与励磁电流Im的转化系数，从测试仪上查出）；所加的励磁电流Im和直流电流Is可知道;d为霍尔片厚度。153、VH-Is关系：直线霍尔电压VH=RHISBdVH=BdISRH保持励磁电流IM（可测）不变，则B不变；B=kIM(k已知，为B与IM的转化系数，从测试仪上查出）；d为霍尔片厚度测VH、Is，作VH-Is直线常数测定数据表10-1164、VH-IM关系：直线保持Is（可测）不变；k已知，为B与IM的转化系数；d为霍尔片厚度测VH、IM作VH-IM直线测定数据表10-2霍尔电压VH=RHISBdVH=IMdISkRHB=kIM常数17e=1.6×10-19C5、求载流子浓度n18µl为已知，为A、C距离；S=bd为霍尔片截面积；零磁场Im=0时，A、C之间的电位差197、判断N或P型20三、实验仪器21霍尔效应测磁场霍尔效应实验仪2223霍尔效应实验组合仪IM输入Is输入VH/Vσ输出实验仪24参考讲义注意：开关机前，测试仪上的“IM调节”及“IS调节”旋钮均置于零（逆时针旋到底）。251.连接测试仪与实验仪之间的各组连线page99图10-226红-红连线黑-黑连线IM输入Is输入VH/Vσ输出实验仪27目的消除误差：霍尔元件中的副效应(不等势电压;由温差电效应、热磁效应引起的附加电压))(414321VVVVVHSIHEA'AC'CBFEFve分别测量四组不同的A’、A两点的电位差28若“实验仪”约定开关IM（相当于B）、IS向上合为正，则向下合为负。实验仪+B，+IS-B，+IS-B，-IS+B，-ISIM开关向上合向下合向下合向上合IS开关向上合向上合向下合向下合“实验仪”开关方向约定：正负IM输入Is输入292.测绘VH-Is直线按表10-1依次改变Is,测量UH,IM输入Is输入VH/Vσ输出30表10-1：保持Im=0.600A不变，测霍尔电压Is(mA)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)UH(mV)+B，+IS-B，+IS-B，-IS+B，-IS1.00-3.093.01-2.93.12-3.031.50-4.624.49-4.464.66-4.562.00-6.186.00-5.966.22-6.092.50-7.737.49-7.457.77-7.613.00-9.288.99-8.959.32-9.143.50-10.8210.47-10.4310.86-10.654.00-12.3511.95-11.9112.39-12.15注：读数有正负313.测绘VH-IM直线按表10-2：保持Is=3.00mA不变，依次改变IM,测量霍尔电压32表10-2：保持Is=3.00mA不变，改变IM,测量霍尔电压IM(mA)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)UH(mV)0.3-4.734.41-4.374.74-4.560.4-6.235.95-5.916.27-6.090.5-7.757.47-7.437.8-7.610.6-9.288.99-8.959.32-9.140.7-10.810.5-10.4710.84-10.650.8-12.3212.02-11.9912.37-12.18334、测量Vσ值（两电极A、C间的电位差，计算电导率用）实验仪“VHVσ”倒向Vσ，测试仪“功能切换”置Vσ实验仪IM断开，按测量选择IS（测试仪），向上合开关IS（实验仪），调节IS=2.00mA（零磁场IM=0，IS=2.00mA），测量Vσ值，记录Vσ=？mA345、从测试仪电磁铁的线包上查出B与IM的转化系数k34.03/4.0310/0.403/kkGSAGSATA（每台机上不同）41(10TGS特斯拉）0.4030.60.403MBI（T）如IM=0.600A,则K读数乘0.1计算356.确定样品导电类型实验仪三组双刀开关：均掷向上方按测量选择IS，合开关IS，调节IS=2.00mA；按测量选择IM，合开关IM，调节IM=0.600A测量VA’A大小,并判断霍尔片的极性。极性判断：若VH=VA’A为正值，说明样品是P型半导体，反之，为N型半导体。361.完成数据记录表10-1，并作VH-IS曲线UH-Is曲线y=3.0411xR2=10.002.004.006.008.0010.0012.0014.000.001.002.003.004.005.00Is(mA)UH(mV)UH-Is曲线y=-3.0411xR2=1-14.00-12.00-10.00-8.00-6.00-4.00-2.000.000.001.002.003.004.005.00Is(mA)UH(mV)37Is(mA)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)UH(mV)+B，+IS-B，+IS-B，-IS+B，-IS1.00-3.093.01-2.93.12-3.031.50-4.624.49-4.464.66-4.562.00-6.186.00-5.966.22-6.092.50-7.737.49-7.457.77-7.613.00-9.288.99-8.959.32-9.143.50-10.8210.47-10.4310.86-10.654.00-12.3511.95-11.9112.39-12.152、根据表10-1中Im=0.600A，Is=2.00mA时测得数据计算霍尔系数、载流子浓度和载流子迁移率38已知：表10-1测得Im=0.600A，Is=2.00mA时的霍尔电压VH；k已知，为B与Im的转化系数，从测试仪上查出，计算时乘以0.1；d为霍尔片厚度=0.5mm；注意：用国际单位计算(Ω•m/T)。霍尔电压VH=RHISBdRH=ISkImd=RHVHISkImd故霍尔系数为：39计算迁移率：计算载流子浓度：已知：Is=2.00mA,l=3.0mm,S=db,d=0.5mm,b=4.0mm假定测得Vσ=125.30mVe=1.6×10-19C403.完成数据记录表10-2，并作VH-IM曲线UH-IM曲线y=-15.22xR2=1-14.00-12.00-10.00-8.00-6.00-4.00-2.000.000.000.200.400.600.801.00IM(mA)UH(mV)414.确定样品的导电类型（P型还是N型）