霍爾效應測量磁場實驗報告
時間：2020-09-13 16:20:17 來源：勤學考試網 本文已影響 人 
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【實驗題目】通過霍爾效應測量磁場
【實驗目的】
1、了解霍爾效應原理以及有關霍爾器件對材料要求的知識。
2、學習用“對稱測量法”消除付效應影響。
3、根據霍爾電壓判斷霍爾元件載流子類型，計算載流子的濃度和遷移速度，
【實驗儀器】
QS-H霍爾效應組合儀
【實驗原理】
1、通過霍爾效應測量磁場
霍爾效應裝置如圖2.3.1-1和圖2.3.1-2所示。將一個半導體薄片放在垂直于它的磁場中(B的方向沿z軸方向)，當沿y方向的電極A、A上施加電流I時，薄片內定向移動的載流子(設平均速率為)受到洛倫茲力的作用，
(1)
無論載流子是負電荷還是正電荷，的方向均沿著x方向，在磁力的作用下，載流子發生偏移，產生電荷積累，從而在薄片B、B兩側產生一個電位差,形成一個電場E。電場使載流子又受到一個與FB方向相反的電場力，
(2)
其中b為薄片寬度，隨著電荷累積而增大，當達到穩定狀態時，即
(3)
這時在B、B兩側建立的電場稱為霍爾電場，相應的電壓稱為霍爾電壓，電極B、B稱為霍爾電極。
另一方面，射載流子濃度為n,薄片厚度為d，則電流強度與的關系為：
或 (4)
由(3)和(4)可得到
(5)
另,則
(6)
R稱為霍爾系數，它體現了材料的霍爾效應大小。根據霍爾效應制作的元件稱為霍爾元件。
在應用中，(6)常以如下形式出現：
(7)
式中稱為霍爾元件靈敏度，稱為控制電流。
由式(7)可見，若、已知，只要測出霍爾電壓，即可算出磁場的大??；并且若知載流子類型(n型半導體多數載流子為電子，P型半導體多數載流子為空穴),則由的正負可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。
2、霍爾效應實驗中的付效應
在實際應用中，伴隨霍爾效應經常存在其他效應。例如實際中載流子遷移速率u服從統計分布規律，速度小的載流子受到的洛倫茲力小于霍爾電場作用力，向霍爾電場作用力方向偏轉，速度大的載流子受到磁場作用力大于霍爾電場作用力，向洛倫茲力方向偏轉。這樣使得一側告訴載流子較多，相當于溫度較高，而另一側低速載流子較多，相當于溫度較低。這種橫向溫差就是溫差電動勢VE，這種現象稱為愛延豪森效應。這種效應建立需要一定時間，如果采用直流電測量時會因此而給霍爾電壓測量帶來誤差，如果采用交流電，則由于交流變化快使得愛延豪森效應來不及建立，可以減小測量誤差。
此外，在使用霍爾元件時還存在不等位電動勢引起的誤差，這是因為霍爾電極B、B’不可能絕對對稱焊在霍爾片兩側產生的。由于目前生產工藝水平較高，不等位電動勢很小，故一般可以忽略，也可以用一個電位器加以平衡(圖2.3.1-1中電位器R1)。
我們可以通過改變IS和磁場B的方向消除大多數付效應。具體說在規定電流和磁場正反方向后，分別測量下列四組不同方向的IS和B組合的VBB’,即
＋B， +I, VBB’=V1
-B， +I, VBB’=-V2
-B， -I, VBB’=V3
＋B， -I, VBB’=-V4
然后利用得到霍爾電壓平均值，這樣雖然不能消除所有的付效應，但其引入的誤差不大，可以忽略不計。
3、電導率測量
測量方法如圖3所示。設BC間距離為L，樣品橫截面積為S=bd，流經樣品電流為，在零磁場下，測得BC間電壓為,則： (8)
?
【實驗內容及步驟】
一、驗證霍爾電壓與工作電流、霍爾電壓與磁場（）即與的關系。
1、將測試儀上輸出，輸出和輸入三對接線柱分別與實驗臺上對應接線柱連接。打開測試儀電源開關，預熱數分鐘后開始實驗。
?2、保持不變，取，取1.00,1.50……,4.50mA，將數據填入表1，測繪曲線，并計算即。
3、保持不變，取，取，將數據填入表,2，測繪曲線。
4、在零磁場下，取，測。
5、確定樣品導電類型。
二、測量螺線管周圍的磁場
取，，霍爾元件放在磁場種不同位置，分別測量霍爾電壓。填入表2，計算出，在坐標紙上畫出曲線。
【原始數據】
表1 霍爾電壓測量 （，霍爾片放在磁場中最強的地方）單位：
()
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
表2 霍爾電壓測量 （，霍爾片放在磁場中最強的地方）單位：
()
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
表3 霍爾元件放在磁場種不同位置，測量霍爾電壓(，)
X(mm)
-18
-17
-16
-15
-14
-10
-6
0
6
10
14
16
17
18
(mV)
(T)
【實驗數據處理】
思考題
若磁場不恰好與霍爾元件片底法線一致，對測量結果有何影響，如果用實驗方法判斷B與元件發現是否一致？
能否用霍爾元件片測量交變磁場
