(完整版)大学物理实验报告系列之霍尔效应

大学物理实验报告
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的方
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。

【实验名称】霍尔效应
【实验目的】
1．了解霍尔效应实验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”消除付效应的影响，测量试样的VH—IS；和VH—IM 曲线。

3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。

【实验仪器】
霍尔效应实验仪
【实验原理】对于图1（a）所示的N型半导体试样，若在X方向通以电流1s，在Z方向加磁场B，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力
F
B
=e v B（1）则在Y方向即试样A、A'电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场一霍尔电场。

电场的指向取决于试样的导电类型。

对N型试样，霍尔电场逆Y方向，P 型试样则沿Y方向，有：
Is(X)、B(Z)E
H
(Y) <0(N型)
E
H
(Y) >0(P型)
显然，该电场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eE H与洛仑兹力eVB相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有
eE
H=
evB（2）
其中E
H
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
Is=nevbd（3）由（2）、（3）两式可得
V
H
=E
H
b=
1I
S
B
ne d
=R
I
S
B
H d
（4）
即霍尔电压V
H
（A、A'电极之间的电压）与IsB乘积成正比与试样厚度成反比。

比例系数R
H
=
1
ne
称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，
R H
=
V H d IsB
⨯1081、由R H 的符号(或霍尔电压的正、负)判断样品的导电类型
判断的方法是按图一所示的Is 和B 的方向，若测得的V H = V AA’触f <0，(即点A 的电位低于点A ′的电位)则R H 为负，样品属N 型，反之则为P 型。

2、由R H 求载流子浓度n
即n =1
R 。

应该指出，这个关系式是假定所有的载流子都具有相同的漂移
H
e
速度得到的，严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入3π
8的修正因子（可参
阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》）。

3、结合电导率的测量，求载流子的迁移率μ。

电导率σ与载流子浓度n 以及迁移率μ之间有如下关系：
σ=ne μ（6）
即μ=R H
σ，通过实验测出σ值即可求出μ。

根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率μ高、电阻率ρ亦较高）的材料。

因R
H
=μρ，就金属导体而言，μ和ρ均很低，而不
良导体ρ虽高，但
μ
极小，
K H =1
ned
（7）
来表示器件的灵敏度，K H
称为霍尔灵敏度
【实验内容】
1、测绘V H
-I s 曲线。

将实验仪的“V H
、V σ
”切换开关投向V H
侧，测试仪的“功
能切换”置V H。

保持I M
值不变（取I M
=0.6A ）,测绘V H
-I s 曲线，
2、测绘V H
-I M
曲线。

实验仪及测试仪各开关位置同上。

保持I s 值不变
（I s =3.00mA ）,测绘V H
-I M
曲线，
3、测量V σ
值
将“V H
、V σ”切换开关投向V σ侧，测试仪的“功能切换”置V σ。

在零磁场下，
取I S
=2.00mA ，测量V σ。

注意：I s 取值不要过大，以免V σ
太大，毫伏表超量程（此时首数码显示为1，后
三位数码熄灭）。

4、确定样品的导电类型
将实验仪三组双刀开关均投向上方，即Is 沿X 方向，B 沿Z 方向，毫伏表测量电压为V ，AA 。

取Is=2mA ，I M =0.6A ，测量V H 大小及极性，判断样品导电类型。

5、求样品的R H 、n 、σ和μ值。

【数据表格与数据记录】
I S
(mA )
V 1
(mv )
V 2
(mv )
V 3
(mv )
V 4
(mv )
V 1
-V 2+V 3-V
4R =V 4
(mv )+I S
...+B +I S
...-B -I S
...+B -I S
...-B
1.00 4.09 4.02 4.02 4.110.041.50 6.15 6.03 6.06 6.180.06
2.008.218.38.048.200.0852.5010.2510.0610.0410.270.105
3.0012.3312.0512.0512.290.130
4.00
16.39
16.07
16.09
16.41
0.160
V
σ
=167.1mv d=0.5mm l=3mm b=5mm
B=3.64KGS/A=0.364T
V
H
d0.04⨯0.5⨯10-4
8
由公式R
H
=⨯10=⨯108=0.0549cm3/c
I
S
B1⨯3640
由公式n=
11
-17
==8.8⨯10
-19
R
H
e0.0549⨯1.6⨯10
I
S
l3⨯2
==143.63西门子/米
-3
V
σ
S167.1⨯5⨯0.5⨯10
由公式σ=
I
M
(mA)V
1
(mv)V
2
(mv)V
3
(mv)V
4
(mv)
V
H
=
由公式μ=R
H
σ=0.0549⨯143.63=7.89
V
1
-V
2
+V
3
-V
4(mv)
4
0.0975
0.085
0.0825
0.0825
0.170
0.0825
+I
S
...+B+I
S
...-B-I
S
...+B-I
S
...-B
4.02
5.37
6.68
8.04
9.04
10.75
3.95
5.30
6.67
8.03
9.38
10.74
4.18
5.49
6.84
8.21
9.55
10.92
4.18
5.52
6.84
8.19
9.55
10.90
【小结与讨论】
(1)了解了霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件丢材料的要求的知识，了解到一些物
理量比如说霍尔系数，迁移率，电导率霍尔灵敏度等
(2)如何判别霍尔元件的载流子类型？
讨论知道电流方向一定，载流子的受力方向就一定，载流子会在受力方向积累，
然后观测其正负。

2、若霍尔片的法线与磁场方向和磁场不一致，对测量结果有何影响？
磁场只有部分分量有作用，也就是实际磁场小于通电电流应产生的磁场。

0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800。