霍尔效应讲义

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大学物理实验讲义实验12用霍尔效应法测量磁场

大学物理实验讲义实验12用霍尔效应法测量磁场实验名称：用霍尔效应法测量磁场实验目的：1. 学习使用霍尔效应测量磁场；2. 熟悉实验仪器和操作方法。

实验器材：1. 霍尔效应磁场测量仪；2. 电磁铁；3. 直流电源；4. 万用表。

实验原理：霍尔效应是指将电流通过一个导体时，如果该导体处于垂直于磁场方向的磁场中，导体上将会产生一个电压，这个电压称为霍尔电压。

霍尔电压与磁场的强度具有一定的关系，可以通过测量霍尔电压来测量磁场的强度。

根据霍尔效应的原理，可得到以下公式：\[E_H = K \cdot B \cdot I\]其中，E_H为霍尔电压，K为霍尔常数，B为磁场强度，I为通过导体的电流。

实验步骤：1. 连接实验仪器。

将实验仪器的电源接入直流电源，将电磁铁的输入端接入直流电源的正极，将输出端接入实验仪器的霍尔电压测量端。

2. 调节电磁铁的电流。

通过调节直流电源的电流大小，控制电磁铁的磁场强度。

3. 测量霍尔电压。

通过实验仪器的读数，记录下给定电流下的霍尔电压。

4. 重复步骤2和步骤3，分别记录不同电流下的霍尔电压值。

5. 绘制电流与霍尔电压的图线。

6. 根据拟合直线的斜率和霍尔常数的关系，计算磁场强度。

注意事项：1. 实验过程中，要注意安全，避免触电和磁场对身体的影响。

2. 测量时需保持实验环境的恒温和较低的干扰。

3. 操作仪器时要注意仪器的使用说明，避免操作不当导致误差。

4. 测量结果的精度和准确性取决于实验仪器的精度、操作人员的技术水平和实验环境的条件等因素。

实验结果：根据测量所得的电流和霍尔电压数据，绘制出电流与霍尔电压的图线。

利用图线的斜率和霍尔常数的关系，计算出磁场的强度。

霍尔效应的讲解

霍尔效应在许多领域都有广泛的应用
例如，在测量磁场强度时需要使用霍尔传感器；在设备时需要使用霍尔开关；在电力系统中需要使用互感器；在通信系统中需要使用霍尔效应放大器等
6
研究价值
研究价值
01
霍尔效应的研究价值在于它为人们提供了一种测量磁场和电流强度的新方法，同时也有助于人们深入理
解电子在固体材料中的行为
03
这种现象就是霍尔效应
1
原理
原理
1
霍尔效应的原理可以用以下公式表示：V=IRB，其中V是电势差，I是电流强度，R是
霍尔常数，B是磁场强度
2
公式表明，当电流通过一个置于磁场中的导体时，由于洛伦兹力的作用，电子会向一侧偏移，导致在该侧形成电势差
2
实验装置
实验装置
实验装置包括电源、磁铁、导线、开关和电压表等
磁场对电子运动的影响
因此，研究霍尔效应具有重要的意义和价值
8
霍尔效应的应用
霍尔效应的应用
霍尔效应的应用非常广泛，以下是一些主要的应
用领域
1. 霍尔传感器
霍尔传感器是一种利用霍尔效应的磁敏元件，可以测量磁场强度和方向。在工业自动化、航空航天、交通运输等领域，霍尔传感器被广泛应用于测量和控制系统
感谢同事以及舍友的帮助感谢评审！
将导线放置在磁铁的两极之间，接通电源后，电流会通过导线并受到磁场的作用，从而产生霍尔效应
通过测量电势差和电流强度，可以计算出霍尔常数和磁场强度
3
现象描述
现象描述
在霍尔效应中，当电流通过置于磁场中的导体时，电子会向一侧偏移，导致在该侧
形成电势差
01
这个电势差被称为霍尔电压，其大小与电流强度和磁场

【大学物理实验】霍尔效应与应用讲义

【⼤学物理实验】霍尔效应与应⽤讲义霍尔效应与应⽤1879年，年仅24岁的霍尔在导师罗兰教授的⽀持下，设计了⼀个根据运动载流⼦在外磁场中的偏转来确定在导体或半导体中占主导地位的载流⼦类型的实验，霍尔的发现在当时震动了科学界，这种效应被称为霍尔效应。

通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流⼦浓度、载流⼦迁移率等主要参数。

通过测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材科的杂质电离能和材料的禁带宽度。

如今常规霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要⼿段，利⽤该效应制成的霍尔器件已⼴泛⽤于⾮电量的电测量、⾃动控制和信息处理等各个研究领域。

该实验要求学⽣了解霍尔效应的基本原理、霍尔元件的基本结构，测试霍尔元件特性的⽅法，并对测量结果给出正确分析和结论。

⿎励学⽣运⽤霍尔效应的基本原理和霍尔元件的特性，设计⼀些测量磁场，或各种⾮磁性和⾮电性物理量的测量的实验⽅案，例如：磁场分布、位置、位移、⾓度、⾓速度等。

让学⽣更好的运⽤霍尔效应来解决⼀些实际问题。

⼀、预备问题1．霍尔效应在基础研究和应⽤研究⽅⾯有什么价值？2．如何利⽤实验室提供的仪器测量半导体材料的霍尔系数？3．怎样判断霍尔元件载流⼦的类型，计算载流⼦的浓度和迁移速率？4．伴随霍尔效应有那些副效应？如何消除？5．如何利⽤霍尔效应和元件测量磁场？6．如何利⽤霍尔元件进⾏⾮电磁的物理量的测量？7．若磁场的法线不恰好与霍尔元件⽚的法线⼀致，对测量结果会有何影响？如何⽤实验的⽅法判断B与元件法线是否⼀致？8．能否⽤霍尔元件⽚测量交变磁场？⼆、引⾔霍尔效应发现⼀百多年来，在基础和应⽤研究范围不断扩展壮⼤，反常霍尔效应、整数霍尔效应、分数霍尔效应、⾃旋霍尔效应和轨道霍尔效应等相继被发现，并构成了⼀个庞⼤的霍尔效应家族。

1985年克利青、多尔达和派波尔因发现整数量⼦霍尔效应，荣获诺贝尔奖；1998年诺贝尔物学理奖授予苏克林、施特默和崔琦，以表彰他们发现了分数量⼦霍尔效应。

霍尔效应实验讲义

霍尔效应及其应用实验(FB510A型霍尔效应组合实验仪)（亥姆霍兹线圈、螺线管线圈）实验讲义杭州精科仪器有限公司实验一霍尔效应及其应用置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。

如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。

在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。

掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。

【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”消除副效应的影响，测量试样的S H I ~V 和M H I ~V 曲线。

3．确定试样的导电类型。

【实验原理】1．霍尔效应：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H E 。

如图1所示的半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，则在Y 方向即试样A A '- 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。

电场的指向取决于试样的导电类型。

对图1（a ）所示的N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，（b ）的P 型试样则沿Y 方向。

即有)(P 0)Y (E )(N 0)Y (E H H 型型⇒>⇒<显然，霍尔电场H E 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HE e ∙与洛仑兹力B v e ∙∙相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有B v e E e H ∙∙=∙ （1）其中H E 为霍尔电场，v 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

1霍尔效应及其应用实验讲义

【实验名称】霍尔效应及其应用【实验目的】1 •了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。

2•学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量并绘制试样的线。

3 •确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。

【实验原理】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。

对于图（1）（a ）所示的N 型半导体试样，若在 X 方向的电极D 、E 上通以电流Is ,在Z 方向加磁场B ，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力：F g =ev B（1）其中e 为载流子（电子）电量， V 为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B 为磁感应强度。

无论载流子是正电荷还是负电荷， F g 的方向均沿Y 方向，在此力的作用下，载流子发生便移，则在 Y 方向即试样A 、A'电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样A 、A'两侧产生一个电位差V H ，形成相应的附加电场 E —霍尔电场，相应的电压V H 称为霍尔电压，电极A 、 A'称为霍尔电极。

电场的指向取决于试样的导电类型。

N 型半导体的多数载流子为电子，P型半导体的多数载流子为空穴。

对N 型试样，霍尔电场逆 Y 方向，P 型试样则沿Y 方向，有其中E H 为霍尔电场强度。

V H _ I S 和 V H — I M 曲Is (X)、B (Z )E H (Y) ::: 0 E H (Y) 0(N型)(P显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，试样中载流子将受一个与F g 方向相反的横向电场力: F E =eE H(2)F E随电荷积累增多而增大，当达到稳恒状态时，两个力平衡，即载流子所受的横向电场力e E H 与洛仑兹VB 相等，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有eE H =eVB(3)3.结合电导率的测量，求载流子的迁移率□设试样的宽度为b ,厚度为d ，载流子浓度为n ,则电流强度I s 与的V 关系为Is = n evbd(4)由（3）、（4）两式可得1VH= E H b=ISB 二 R H ! 1SBned dd(5)即霍尔电压 VH （A 、A '电极之间的电压）与IsB 乘积成正比与试样厚度 d 成反比。

霍尔效应专题教育课件

背景简介
分数量子霍尔效应
崔琦
Horst Stormer
用高纯度半导体材料，在超低温环境：仅比绝对零度高十分之一摄氏度（约－273℃），超强磁场：当于地球磁场强度100万倍研究量子霍尔效应时发觉了分数量子霍尔效应，这个发觉使人们
对量子现象旳认识更进一步。
Robert Laughlin
构造出了分数量子霍尔系统旳解析波函数，给分数量子霍尔效应作出了理论解释
fe eEH
（3）（此力方向向上）
电子受到电场力 fe 和磁场力 fB 旳作用，一方面使电
子向下偏移，另一方面电子又受到向上旳阻碍电子向下偏移
旳力。因为这两个力旳作用所以电子在半导体试样侧面旳积
累不会无限止地进行下去：在开始阶段，电场力比磁场力小，
电荷继续向侧面积累，伴随积累电荷旳增长，电场力不断增
霍尔效应中旳负效应
能斯特效应
沿x方向通以电流，两端电极与样品旳接触电阻不同而产生不同旳焦耳热，致使x方向产生温度梯度，这一温度梯度引起一附加旳纵向热扩散电流，在磁场旳作用下，从而在y轴方向产生横向电位差，为能斯特电压。
ＵN∝Ｑx·Ｂz
ＵN方向只与Ｂ方向有关。
霍尔效应中旳负效应
里吉-勒迪克效应
4、当代汽车工业上应用
汽车上广泛应用旳霍尔器件就涉及：信号传感器、 ABS系统中旳速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、多种用电负载旳电流检测及工作状态诊疗、发动机转速及曲轴角度传感器、多种开关等。
例如用在汽车开关电路上旳功率霍尔电路，具有克制电磁干扰旳作用。因为汽车旳自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而汽车上有许多灯具和电器件在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大旳电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路就能够减小这些现象。

1214霍尔效应(原卷版)--2024高考一轮复习100考点100讲

a.若单位时间内霍尔元件检测到m个脉冲，求自行车行驶的速度大小v。
b.图4中的两幅图哪个可以大致反映自行车正常行驶过程中车轮边缘一点相对地面的运动轨迹？请说明理由。
9.（2021北京顺义区二模）2016年诺贝尔物理学奖颁发给了三位美国科学家，以表彰他们将拓扑概念应用于物理研究所做的贡献。我们知道，按导电性能不同传统材料大致可分为导体和绝缘体两类，而拓扑绝缘体性质独特，它是一种边界上导电、体内绝缘的新型量子材料。例如，在通常条件下石墨烯正常导电，但在温度极低、外加强磁场的情况下，其电导率（即电阻率的倒数）突然不能连续改变，而是成倍变化，此即量子霍尔效应（关于霍尔效应，可见下文注释）。在这种情况下，电流只会流经石墨烯边缘，其内部绝缘，导电过程不会发热，石墨烯变身为拓扑绝缘体。但由于产生量子霍尔效应需要极低温度和强磁场的条件，所以其低能耗的优点很难被推广应用。
A．该仪表只能测量位移的大小，无法确定位移的方向
4.（2023浙江台州二模）笔记本电脑机身和显示屏分别装有霍尔元件和磁体，实现开屏变亮，合屏熄灭。图乙为一块利用自由电子导电，长、宽、高分别为a、b、c的霍尔元件，电流方向向右。当合上显示屏时，水平放置的元件处于竖直向下的匀强磁场中，元件前、后表面间产生电压，当电压达到某一临界值时，屏幕自动熄灭。则元件的（）
A．前表面的电势比后表面的低
B．前、后表面间的电压U与v无关
C．前、后表面间的电压U与c成正比
D．自由电子受到的洛伦兹力大小为
3（浙江高考题）.压力波测量仪可将待测压力波转换成电压信号，其原理如图1所示，压力波p（t）进入弹性盒后，通过与铰链O相连的“ ”型轻杆L，驱动杆端头A处的微型霍尔片在磁场中沿x轴方向做微小振动，其位移x与压力p成正比（）。霍尔片的放大图如图2所示，它由长×宽×厚=a×b×d，单位体积内自由电子数为n的N型半导体制成，磁场方向垂直于x轴向上，磁感应强度大小为。无压力波输入时，霍尔片静止在x=0处，此时给霍尔片通以沿方向的电流I，则在侧面上D1、D2两点间产生霍尔电压U0.

(整理)霍尔效应-讲义

霍尔效应霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。

从本质上讲，霍尔效应是电流的一种磁效应。

1879年，美国霍普金斯大学24岁的研究生霍耳在研究载流导体在磁场中受力性质时发现了这一电磁现象——霍尔效应。

随后人们在半导体、导电流体中也发现了霍耳效应，且半导体的霍耳效应比金属强得多。

霍耳效应发现约100年后，1980年由德国科学家克利青等人又发现了整数量子霍耳效应(IQHE)，并于1985年获得了诺贝尔物理学奖。

1982年，崔琦、施特默和劳夫林又发现了分数量子霍耳效应(FQHE)，获得了1998年诺贝尔物理学奖。

随着科学技术的发展，霍耳效应已在测量、自动控制、计算机和信息技术等方面得到了广泛的应用，主要用途有以下几个方面：（1）测量磁场；（2）测量直流或交流电路中的电流强度和功率；（3）转换信号，如把直流电流转换成交流电流并对它进行调制，放大直流和交流信号；（4）对各种物理量（可转换成电信号的物理量）进行四则运算和乘方开方运算。

由霍耳效应制成的霍耳元件具有结构简单而牢靠、使用方便、成本低廉等优点，在生产和科研实际中得到越来越普遍的应用。

【实验目的】1．了解霍尔效应的原理；2．掌握霍尔电压的测量方法，学会用霍尔器件测量磁场；3．测量霍尔器件的输出特性。

【实验仪器】DH4512系列霍尔效应实验仪【实验原理】一、霍尔效应的基本原理与应用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的作用而引起的偏转。

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。

对于（图10-1）所示的半导体试样，若在X方向通以电流I，在Z方向加磁场B，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。

电场的指向取决于试样的导电类型。

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H eE 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：H eE eVB = （10-1）其中,H E 为霍尔电场，V 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

大学物理实验讲义实验12-用霍尔效应法测量磁场

大学物理实验讲义实验12-用霍尔效应法测量磁场实验目的：1.熟悉霍尔效应的基本原理。

2.掌握用霍尔效应法测量磁场的方法。

3.了解LCR电路的基本原理及其在霍尔效应实验中的应用。

实验原理：1.霍尔效应当一个半导体片被放置在一个磁场中时，正常的电流方向将被改变，这是霍尔效应的重要特征。

在一个横向磁场中，电子将受到一个力，使它们沿一个轴移动，这个轴垂直于电流和磁场之间的平面。

由于电荷的分布而产生的电压称为霍尔电压，它与磁感应强度和电流成正比。

2.LCR谐振电路LCR谐振电路是一种电路，可以在给定频率下将电压最小化。

它包括一个电感，一个电容和一个电阻器。

在特定的谐振频率下，当电感和电容的电流达到平衡时，电阻器的电流将为零。

这时电路的表现出来的阻抗是最小的，因此在谐振频率下可以测量出磁场。

实验器材：霍尔效应实验装置、电源、导线、万用表、量角器、磁铁。

实验步骤：1.首先将霍尔效应实验装置放在静磁场中，并用万用表确认磁场的磁感应强度。

2.将红色电缆夹子连接到霍尔片上的直流电极，将黑色夹子连接到其左边的垂直电极，用导线将电缆夹子连接到电源上。

3.用万用表检查电源输出电压的值。

将电源输出电压调整到所需的范围。

4.将量角器放在霍尔片上，测量电流通过载流电极时，霍尔片的垂直电极与磁场之间的夹角。

5.打开电源，调整电流强度至所需范围。

6.将电阻器调至LCR电路上的电阻元件的最佳位置。

7.使用万用表或示波器测量在谐振频率下所具有的最小值。

8.再次使用量角器，测量电流通过霍尔片时，霍尔电压与磁场之间的夹角。

9.用霍尔电压和磁感应强度计算出霍尔常数。

1.通过等式VH = IBZH / e d，我们可以计算出横向电场的霍尔电压，其中IB是电流，ZH是霍尔电阻，e是电子的带电量，d是半导体晶片的厚度。

3.使用等式R = V/IH计算出霍尔电阻。

实验结果分析：通过实验数据处理，我们可以计算出霍尔电阻和霍尔常数，并使用它们来确定磁场的强度。

霍尔效应实验讲义

霍尔效应测试㈠霍尔效应的组成,功能及性能,工作原理.组成: HMS测试系统主要由恒电流源、范德堡法则终端转换器、电压测量计，低温管道系统及磁场强度系统组成.功能及性能：工作原理：范德堡法则1 、电阻率测量测量电阻率时，依次在一对相邻的电极通电流，另一对电极之间测电位差，得到电阻R，代入公式得到电阻率ρ。

这种方法对于样品形状没有特殊的要求，但是要求薄膜样品的厚度均匀，电阻率均匀，表面是单连通的，即没有孔洞。

此外，A,B,C,D四个接触点要尽可能小（远远小于样品尺寸），并且这四个接触点必须位于薄膜的边缘。

为了简化测量和计算，常常要求待测薄膜为正方形，这是由于正方形具有很高的对称性，正方形材料的四个顶点从几何上是完全等效，因而可推知电阻值R AB,CD和R BC,AD在理论上也应该是相等。

查表可知当R AB,CD/R BC,AD=1时，f=1。

因此，最终电阻率的公式即可简化为：2、霍尔系数和迁移率测量测量霍尔系数时，在一对不相邻的电极通上电流，并在垂直样品方向上加一磁场，在另一对不相邻的电极上测量电压的变化，可得霍尔系数及其载流子浓度.其中d为样品厚度，B为磁场强度，q为电子电荷。

由电阻率和霍尔系数的测量，同时还可以得到电子的霍尔迁移率。

㈡软件菜单使用说明1. 先打开电脑主机，再打开设备开关。

2. 左手拿磁极的上盖（N朝上），将待测得薄膜样品放入弹簧夹内，此时弹簧夹应正面朝上（如果放反，会将样品烧坏），放好后盖好上盖。

3. 开始界面4. 进入霍尔测试界面需要输入数据的只有左上角的INPUT VALUE栏，别的都不用改动。

INPUT VALUE的菜单说明如下所示。

DATE:测试日期；USER NAME:用户名称；SAMPLE NAME：样品名称；（前三项自己正确填写）；COMPORT：通信端口（已设置好不用重新输入）；TEMP：测试温度（室温下测选择300K，液氮的环境中测选择77K）；I: 测试电流（根据试验需求输入）；DELAY：更换测试点测试延时（一般无需改动，0.100s）；D：样品厚度（根据自己的样品输入）；B：测量磁场（根据磁铁上的数据输入）；Measurement Number:测量次数（一般选择1000）。

霍尔效应实验讲义

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电导率和迁移率（半导体基础参数的测量）
霍尔效应实验大学物理实验
中心
实验简介实验原理实验目的实验内容仪器与操作数据记录与分析思考题
电导率 σ = 1/ρ 物质中电荷流动难易程度的参数
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对称交换测量法
霍尔效应实验大学物理实验
中心
实验简介实验原理实验目的实验内容仪器与操作数据记录与分析思考题
测量霍尔电动势时，对每一对 B, Is，通常会测量四次，不同方向的 B 和 Is 的组合下的霍尔电动势 VBB′
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霍尔效应的实验原理
霍尔效应实验大学物理实验
中心
实验简介实验原理实验目的实验内容仪器与操作数据记录与分析思考题
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实验简介实验原理实验目的实验内容 (实验时参考) 实验仪器和操作 (仿真实验平台演示) 数据记录和处理 (课后处理参考) 思考题 (写在实验报告中)
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实验简介
霍尔效应实验大学物理实验

半导体物理课件 (8)半导体的霍尔效应

0
R
H
02
2 0
B
2 z
npb(1 b)2 (nb2 p)2
为横向磁阻系数
RHo为弱磁场时的霍尔系数
三、几何磁阻效应
1．长条样品(N型)
I
I
Bz
JE
E J
Bz=0，=x
Bz0
● 空穴在磁场力作用下，漂移运动发生偏转，
使电流产生横向分量，形成的横向电流J
B py
；
● 电子在磁场力作用下，漂移运动发生偏转，
使电流产生横向分量，形成的横向电流J
B ny
；
● 电子和空穴在 y 方向霍尔场作用下形成的
电流
J

py
，
J
ny
(1) y 方向的空穴电流密度(Jp)y
(J p )y
(J
§4-5 半导体的霍尔效应
一、P型半导体霍尔效应
1. P型半导体霍耳效应的形成过程
z y
x
Bz
I+
Bd
εy
_
○
fεx
fL
f
b VH
A l
电场力：fε=qεx 磁场力：fL=qVxBz
qεy
fεx fL
y方向的电场强度为：εy
平衡后： q y f L 0
q y f L qVx Bz
y Vx Bz
—几何磁阻效应
磁阻的大小：
R RB R0
R0
R0
或
1 1
B 0 B 0 B 0
0
0
1
B
0
二、物理磁阻效应
1．一种载流子
P型：电场加在x方向，磁场在z方向
y : q y

霍尔效应讲义

通过霍尔效应测量磁场在磁场中的载流导体上出现很想电势差的现象是24岁的研究生霍尔（Edwin H. Hall）在1879年发现的，现在称之为霍尔效应。

随着半导体物理学的迅猛发展，霍尔系数和电导率的测量已经称为研究半导体材料的主要方法之一。

通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。

若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。

在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)等研究半导体在极低温度和强磁场中发现了量子霍尔效应，它不仅可作为一种新型电阻标准，还可以改进一些基本产量的精确测定，是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之一，克利青为此发现获得1985年诺贝尔物理学奖。

其后美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui)和施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应。

它的发现使人们对宏观量子现象的认识更深入一步，他们为此发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。

用霍尔效应之辈的各种传感器，以广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理各个方面。

本实验的目的是通过用霍尔元件测量磁场，判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，以及了解霍尔效应测试中的各种副效应及消除方法。

实验原理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u)受到洛伦兹力FB的作用，F B = q u B (1)无论载流子是负电荷还是正电荷，FB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VBB’,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FE，F E＝q E = q V BB’ / b (2)其中b为薄片宽度，FE随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时FE＝FB，即q uB = q V BB’ / b (3)这时在B、B’两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压称为霍尔电压，电极B、B’称为霍尔电极。

霍尔效应及其相关测量讲义

霍尔效应及其相关测量引言：1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力的情况时，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为霍尔效应。

在半导体材料中，霍尔效应比在金属中大几个数量级，引起人们对它的深入研究。

霍尔效应的研究在半导体理论的发展中起了重要的推动作用，直到现在，霍尔效应的测量仍是研究半导体性质的重要实验方法。

利用霍尔效应，可以确定半导体的导电类型和载流子浓度，利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来研究半导体的导电机构(本征导电和杂质导电)和散射机构(晶格散射和杂质散射)，进一步确定半导体的迁移率、禁带宽度、杂质电离能等基本参数。

测量霍尔系数随温度的变化，可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的温度特性。

根据霍尔效应原理制成的霍尔器件，可用于磁场和功率测量，也可制成开关元件，在自动控制和信息处理等方面有着广泛的应用。

一、实验目的1、掌握霍尔效应原理与测电阻率的范德堡法2、掌握霍尔效应测试仪的测量原理与使用方法3、用霍尔效应测试仪测量半导体材料的霍尔系数、载流子浓度、电阻率、迁移率4、测量样品霍耳系数及电导率随温度的变化二、实验原理1、霍尔效应霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。

当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。

霍尔电场应使用左手定则判断。

图1 霍尔效应原理图在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到相同方向的洛伦兹力而在相同方向上聚集（见图二），由于载流子的聚集，会产生一个与磁场方向和电流方向都垂直的电场，电场力与洛伦兹力产生平衡之后，载流子将不再聚集，于是与电场相垂直的两极板间将具有一个电势差，这就是半导体的霍尔效应。

霍尔效应实验和霍尔法测量磁场重点讲义资料

DH-MF-SJ组合式磁场综合实验仪使用说明书一、概述DH-MF-SJ组合式磁场综合实验仪用于研究霍尔效应产生的原理及其测量方法，通过施加磁场,可以测出霍尔电压并计算它的灵敏度，以及可以通过测得的灵敏度来计算线圈附近各点的磁场。

二、主要技术性能1、环境适应性：工作温度 10～35℃；相对湿度 25～75%。

2、通用磁学测试仪2.1可调电压源：0～15.00V、10mA；2.2可调恒流源：0～5.000mA和0～9.999mA可变量程，为霍尔器件提供工作电流，对于此实验系统默认为0-5.000mA恒流源功能；2.3电压源和电流源通过电子开关选择设置，实现单独的电压源和电流源功能；2.4电流电压调节均采用数字编码开关；2.5数字电压表：200mV、2V和20V三档，4位半数显，自动量程转换。

3、通用直流电源3.1直流电源，电压0～30.00V可调；电流0～1.000A可调；3.2电流电压准确度：0.5%±2个字；3.3电压粗调和细调，电流粗调和细调均采用数字编码开关。

4、测试架4.1底板尺寸：780*160mm；4.2载物台尺寸：320*150mm，用于放置螺线管和双线圈测试样品；4.3螺线管：线圈匝数1800匝左右,有效长度181mm，等效半径21mm；4.4双线圈：线圈匝数1400匝(单个)，有效直径72mm，二线圈中心间距 52mm；4.5移动导轨机构：水平方向0～60cm可调；垂直方向0～36cm可调，最小分辨率1mm；5、供电电源：AC 220V±10%，总功耗：60VA。

三、仪器构成及使用说明DH-MF-SJ组合式磁场综合实验仪由实验测试台、双线圈、螺线管、通用磁学测试仪、通用直流电源以及测试线等组成。

1、测试架1.双线圈；2.载物台（上面绘制坐标轴线）； 3，4 双线圈励磁电源输入接口；5.霍尔元件；6.立杆；7.刻度尺；8.传感器杆（后端引出2组线，一组为传感器工作电流Is，输出端号码管标识为Input；一组为霍尔电势V H输出，输出端号码管标识为Output）； 9.滑座； 10.导轨； 11. 螺线管励磁电源输入接口；12.螺线管； 13.霍尔工作电流I S输入，号码管标有Input（红正，黑负）；14.霍尔电势V H输出，号码管标有Output（红正，黑负）； 15.底座图1-1组合式磁场综合实验仪（测试架图）2、通用磁学测试仪（DH0802）1.电压或电流显示窗口（霍尔元件工作电流或电压指示）；2.恒流源指示灯；3.恒压源指示灯；4.调节旋钮（左右旋转用于减小或增加输出；按下弹起按钮用于恒流源或恒压源最小步进值选择，按照显示值的个、十、百、千位依次循环切换）；5.电源输出插座（正极红+，负极黑-，为霍尔元件或传感器提供工作电源；对于此实验，系统默认为恒流输出功能，为霍尔元件提供恒定的工作电流；输出插座与霍尔元件的输入端正负极对应相连，霍尔元件测试线上对应有input标号，连线时请注意！）；6. 霍尔电压表（霍尔电势表，200.00mV，2V和20V自动量程转换）；7.量程指示灯mV； 8. 量程指示灯V；9.置零键（对某一测试值进行置零，置零后指示灯亮，此时显示值与实际值相差“置零值”；再次按置零键恢复正常测试，电压输入值等于显示值）；10.电压输入插座（正极红+，负极黑-；该输入后用于测量霍尔元件的霍尔电势V H，与霍尔元件的输出端正负极对应相连，霍尔元件测试线上对应有output标号，连线时请注意！）。

高二物理竞赛课件：霍尔(Hall)效应

霍尔（Hall）效应
霍尔（Hall）效应
霍耳效应
1)现象：
由于洛仑兹力作用，处于磁场中的载流导体
内部产生一横向电场和横向电压的现象。
2
纵向磁约束：
带电粒子 v
B
F
磁镜
磁镜
磁场由弱到强的配置称为磁镜。
带电粒子会像光在两面镜子间来回反射那样，被限制在两磁镜之间的范围内。
3
绚丽多彩的极光
在地磁两极附近，由于磁感线与地面垂直，外层空间入射的带电粒子可直接射入高空大气层内，它们和空气分子的碰撞产生的辐射就形成了极光。
+
N 型半导体
(2)测量n，研究半导体载流子的浓度。
IB
霍耳电压 UH RH d
RH
1 nq
IB n
U H qd
7
(3)测量磁场（高斯计）
霍耳电压
UH
RH
IB d
(4)磁流体发电
B U H ndq I
高温高速的等离子气体
导电管
垂直于气流的方向上加有磁场
势霍差耳
电
M
R
v
B
N
K
电极上获得连续输
基本原理示意图
出的电能
8
量子霍尔效应
（一）整数量子霍耳效应
1发现 1980年，德国物理学家冯•克利青（K.Von.Klitzing）从金属—氧化物半导体场效应管中发现了量子霍耳
效应（1985’Nobel Prize）
用电场使电子局限于半导体表面，形成二维电子气。
2 条件 1）低温（~K） 2）强磁场（~10T）
5
【思考】载流子换成电子，UH的方向？ B
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霍尔

光电子微纳制造工艺平台应用培训讲义(2008下学期) --霍尔效应测试仪Lake Shore 7704A一、霍尔效应霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。

平行电场和电流强度之比就是电阻率。

大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。

霍尔效应是研究半导体性质的一种基本方法，并广泛用于常规测量。

随着半导体物理学的迅猛发展，霍尔系数和电导率的测量已经称为研究半导体材料的主要方法之一。

通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。

若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。

二、仪器介绍霍尔效应测试仪作为测定半导体材料的电磁特性的仪器可以得到材料的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数等数据，是掌握半导体材料特性所必需的设备。

霍尔效应测定设备一般是由静电流源，显示Van Der Pauw法则端子转换器，低温(77K)测定系统以及磁场强度集成在一起。

Lake shore霍尔效应测试仪是拥有所有测定霍尔效应所需装置的系统，性能稳定、功能强大，在全球高校及半导体业界拥有广泛的用户和知名度。

Lake Shore的霍尔效应测试系统可控制温度和磁场强度来产生正确、可靠的霍尔效应和电子传输测量结果，是一种先进的用于分析材料电传特性的系统。

可测试膜层材料：半导体、金属、超导体；薄膜和块状材料；单晶和多晶；单载流子和多载流子。

Most compound semiconductor materials, including pHEMTS, SiGe, SiC, InAs, InGaAs, InP, AlGaAs,HgCdTe, and ferrites; low resistance materials including metals, transparent oxides,dilute magnetic semiconductors, and TMR materials; and high resistance materials, including semi-insulating GaAs and GaN, CdTe, and photodetectors.应用: 测量分析载流子分布，以评估多层材料特性，并测量多载流子的具体性能。

霍尔效应讲解

3.消除霍尔元件副效应的影响 • 在固体导体中，除了霍尔效应，还有埃廷豪森效应UE、能斯特效应UN、里纪－勒杜克效应URL，这些都属热磁效应。 • 为了消除上述四种副效应的影响，实验中改变电流I和磁场Ｂ的方向。即取（+B，+I）、（+B，-I）、（-B，-I）、（-B，+I）四种条件下进行测量，测得的四个电压值分别为 U1、 U2、 U3、 U4，
UH
U1 U 2 U 3 U 4 4
三、实验仪器介绍 1.工作电流I ：0～10mA。 2.励磁电流Im：0～1A。四.注意事项 1．霍尔片碰撞。仪器上原有接线请勿拆，以免出错。 2．霍尔元件允许通过电流很小，K1、K3开关切勿错接。 3．电磁铁通电时间不宜过长，以防电磁铁线圈过热。
霍尔效应
霍尔效应： • 实验目的； • 实验原理； • 操作方法。
霍尔效应
• 霍尔效应：霍尔于 1879 年在研究金属的导电机构时发现的。 • 霍尔效应在磁场等物理量的测试、自动化和信息技术等方面有着极其广泛的应用。一、实验目的 1.了解产生霍尔效应的机理； 2. 研究霍尔元件的特性，了解应用霍尔效应测量磁场的方法。
二、测量原理 1．霍尔效应 • 通有电流的导体或半导体薄片置于磁场中，由于受到洛仑兹力的作用，载流子将向薄片侧边积累，则在垂直于电流I和磁场B的方向上出现一个电位差UH，这个现象称为霍尔效应，UH称为霍尔电压。 • UH = RH IB ，式中RH叫霍尔系数。b为厚度。
b
2．霍尔电压和磁场的测量 • 设KH=RH/b，称为霍尔元件的灵敏度，则UH = KH IB ，测量电流I和UH，则可算出B值。 • 若知道载流子的类型，根据电流I的方向和UH的正负，可以定出待测磁场的方向。 • 霍尔元件用交流电I = I0 sinω t，则 UH = KH I B = KH B I0 sinω t 所得的霍尔电压也是交变的。式中I和UH应理解为有效值。 • 以上讨论都是在磁场方向与电流方向互相垂直的条件下进行的，因此霍尔片必需与被测磁感应强度B的方向垂直，才能测出正确的结果。