霍尔效应实验PPT课件

势差，所以霍尔片要用半导体材料做成，而不用金属材料做霍尔片。
另外载流子浓度的大小受温度的影响较大，所以要注意消除温度的影响。
还有，霍尔电压
U
与通过霍尔片的工作电流和电荷所受的磁场
H
B的乘积成正
比，与霍尔片厚度 成d 反比，霍尔片厚度 越d 小，霍尔电动势就越大，所以制
作霍尔片时往往采用减小 的d 办法来增加霍尔电动势，从而提高灵敏度。 10
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注意事项： ●霍尔元件轻脆易碎，必须防止受压、挤、扭、碰撞
等。本实验中霍尔片位置已调好!请不要再调动位置！ ●霍尔元件的工作电流和电磁铁的励磁电流要严格区
分，绝不能接错！ ●实验前先将两旋钮逆时针方向旋转到底，实验时再根
据要求慢慢调至所需量程！ ●实验过程中要避免霍尔元件长时间受热！
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实验内容与步骤
表2
IS 2.00mA
IM
（A）
U1(mV) IS , B
U 2 (mV) IS ,B
U 3(mV) IS ,B
U 4(mV) IS ,B
UH

1 4
(U1
U2
U3
U4 )(mV)
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
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霍尔效应实验
1
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、研究霍尔电压UH 与工作电流 IS及霍尔电压 UH 与励磁电流IM之间的关系；（即 U H IS ，UH IM ）
3、掌握用作图法求霍尔系数RH 的方法，由RH 符号 或霍尔电压的正负判断样品的导电类型,并求出载流 子浓度;
2、保持工作电流
I
=2.00mA不变，改变励磁电流，使
S
IMห้องสมุดไป่ตู้
=0.200 ，0.300 ，……，0.700A，并根据原理所述顺序，分别改
变
B、 I
S的方向，测出相应的霍尔电势差
U
，填入表2。根据测量数
H
据绘出 U H 图IM线。
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数据记录及处理
1. U H I的S 关系
表1
IM 0.700 A
（6）
由固体物理理论可以证明金属的霍尔系数为
1 RH ne
（7）
式中 n为载流子浓度，e为载流子所带的电量。RH
是一常量，仅与导体材料有关，它是反映材料霍
尔效应强弱的重要参数
6
由（6）（7）式得
UH
RH
IS B d
由此可以定义霍尔元件的灵敏度
KH

RH d
1 ned
UH KH IS B
KH

K 0.7 0.410
19.55
V
(A T)
RH
KHd
19.55 0.5103
9.775103
(m V ) (AT)
（其中d 0.5mm） 24
n 1 6.39 1020 (m3) RH e
注意单位：
RH
：
(m V ) (AT)
n： m3
霍尔效应不仅是测定半导体材料电学参数的主要手段， 而且随着电子技术的发展，利用霍尔效应制成的器件已广泛 地用于非电量的测量，如温度、压力等等，还有自动化控制 和信息处理等领域。
霍尔效应的出现是由于导体（或半导体）中的载流子 （形成电流的的运动电荷）在磁场中受到洛伦兹力的作用而 发生的横向漂移的结果。
IS
U1 (mV)
U 2(mV)
U 3 (mV)
U 4 (mV)
1
（mA） IS , B IS , B IS , B IS , B UH 4 (U1 U2 U3 U4)(mV)
1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00
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2. U H I的M 关系
所以在试样中形成了横向电场 ，E这H 一电场就称为霍尔电
场。该电场又对电子具有反方向的静电力。
fe eEH （3）（此力方向向上）
电子受到电场力 fe和磁场力 f的B 作用，一方面使电子向
下偏移，另一方面电子又受到向上的阻碍电子向下偏移的力。
由于这两个力的作用所以电子在半导体试样侧面的积累不会
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，随着积累电荷的增加，电场力不断增加，
直到电子所受的电场力和磁场力相等，即 fB时，f电e 子不
再横向漂移，结果在 势差。
、 P两面S形成恒定的电势差
叫霍U 尔电 H 5
fB fe
EH vB
即 evB eEH（4）
（5）
UH
VP
VS

EH b

vBb

IS B ned
1、调整励磁电流
I
=0.700A不变，改变工作电流，使
M
IS
=1.00mA，1.20，……，2.00mA，并根据原理所述顺序，分别改
变 B、I S 的方向（将换向闸刀拨向上或下）测出相应的霍尔电势
差
U
，填入表1。根据测量数据绘出
H
U H I图S 线，由该图线斜率
求出霍尔系数 R。H (已知d=0.50mm）。
三个双刀双掷闸刀开关分别对励磁电流 ，IM工作电流 霍I尔S
电压 进U行H通断和换向控制。右边闸刀控制励磁电流的通
断、换向。左边闸刀开关控制工作电流的通断换向。中间闸
刀固定不变即指向 一U侧H 。
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2、测试仪
测试仪有两组独立的恒流源，即“ I S输出”为0～ 10mA给霍 尔元件提供工作电流的电流源，“IM 输出”
4、学习一种消除系统误差的方法——对称测量法。
2
实验原理
1.霍尔效应 如果将一块金属或半导体材料垂直放在磁场中，在垂直
于磁场方向上通以电流 I ,则在垂直于电流和磁场方向上导体
的两侧会产生一个电势差，这种现象称为霍尔效应。 这个效应是1879年美国霍普金斯大学的研究生霍尔在研
究金属导电机构时发现了这种电磁现象，后来被称为霍尔效 应。
K：H
V (A T)
或
mV (mAT )
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为0～1A为电磁铁提供电流的励磁电流源。两组电流源 相互独立。两路输出电流大小均连续可调，其值可通过 “测量选择”键由同一数字电流表进行测量，向里按
“旋测钮IM量和选择IM”调测节旋，钮放。出键I来S 测 。电流源I上S 有 调节
直流数字电压表用于测量霍尔电压，本实验只读霍尔 电压、所以将中间闸刀开关拨向上面即可。当显示屏上 的数字前出现“—”号时，表示被测电压极性为负值。
由表1数据作图
UH mV
图1
22 IS
mA
由表2数据作图
UH mV
图2
23 IM
A
由图1求斜率：
如 K 5.61 (mV mA)
UH KHISB
UH IS
KH B KH IM B0
(B IM B0 )
（ IM 0.700A， B0 0.410，T A B0其值在仪器上标出）
fB
+++ + + +
带正电的粒子在洛伦兹力作用下，其正电荷向下偏移，上侧积累了
负电荷，形成下高上低的电势差。这时，U
半导体。
H

0则
RH ，0 所以是p型
9
②求载流子浓度
n 1 RH e （11）
一般情况下可以用上式求解，但是严格说来，霍尔系数表达式中应当乘 以一个修正因子 3/8 ：
RH
— ——— — —
由于运动电荷受到洛伦兹力的作用，使其S侧积累负电荷，P侧积
累正电荷，因此电势差是P点高于S点，U H 0 则 RH 0为N型半导
体。
8
p型半导体导电载流子为空穴，空穴相当于带正电的粒子，带正电 粒子其运动方向和电流运动方向相同，如图所示：
— — — — — —fe
v
IS
IS
（8） （9） （10）
可见，只要测出霍尔电势差 U H和工作电流
应强度 B。
I
，就可以求出磁感
S
当给定 B，改变 I S时可得到 U，H U H 呈IS线性关系，直线斜
率就是 KH。B 由公式（9）可求得 RH
7
由 RH 可以确定以下参数 ：
①导电类型 如图：
+++ + + +
fe
v
IS
IS
fB
IS ,B IS ,B
U2 U H U0 U E U N U RL U3 U H U0 U E U N U RL
IS ,B U4 UH U0 UE U N URL
UH

1 4
(U1

U
2
U3
U4 ) UE
U E U H
3
若用一块如图所示的N型半导体试样（导电的载流子是电子）
设试样的长度为 、l 宽度为 b，厚度为 d，若在 x方向通过电 流 I S，电子电荷以速度 v向左运动。
若电子的电荷量
为 e ，自由电子浓度
为 n，则
d
+ + + + +++ +
fe
v
IS envbd（1） b IS
fB
IS
— ——— ————

3
8
.
1 ne（12）
由以上讨论可知，霍尔电压
U
与载流子浓度
H
n成反比，即导电材料的载流子
浓度 越n 大，霍尔系数 R就H越小，霍尔电势差 就U越H 小，一般金属中的载流子
是自由电子，其浓度很大(大约 1)0，22 所以金属材料的霍尔系数很小，霍尔效
应不显著。半导体材料的载流子浓度要cm比3 金属小得多，能够产生较大的霍尔电
U H

1 4
(U1

U
2
U3
U4)
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仪器简介 霍尔效应实验仪由实验仪和测试仪组成，其装置如图：
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1、实验仪：本实验仪由电磁铁、二维移动标尺、三个换向闸 刀开关、霍尔元件组成。 C型电磁铁，给它通以电流产生磁场。 二维移动标尺及霍尔元件；霍尔元件是由N型半导体材料 制成的，将其固定在二维移动标尺上，将霍尔元件放入磁铁 的缝隙之中，使霍尔元件垂直放置在磁场之中，在霍尔元件 上通以电流，如果这个电流是垂直于磁场方向的话，则在垂 直于电流和磁场方向上导体两侧会产生一个电势差。
2.系统误差分析
① 不等势效应
：U
与
0
I
的方向有关
S
② 爱廷豪森效应：U E与 I S、B均有关
③ 能斯脱效应 ：UN 与 B的方向有关
④ 里纪——勒杜克效应：U RL与 B的方向有关
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3.系统误差的消除——对称测量法
IS , B U1 U H U0 U E U N U RL
l
时将若受在到洛z轴伦方兹向力加的上作恒用定，的洛磁伦场兹B力，用电子fB表电示荷：在沿 x轴负方向运动
fB evB（2）
4
由于洛伦兹力的作用，使得电子将沿 fB的方向向下侧偏移
（即 轴y 的负方向），这样就引起了 侧S电子的积累， 侧P 正电荷的积累，从而使两侧出现电势差，且 点P高于 点S，