霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量

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霍尔效应实验报告

霍尔效应实验一、实验目的1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用2．测绘霍尔元件的VH —Is，VH—I M曲线，了解霍尔电势差V H与霍尔元件工作电流Is，磁场应强度B及励磁电流IM之间的关系。

3．学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。

4．学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。

二、实验仪器霍尔效应实验仪和测试仪三、实验原理运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起偏转，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在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场（霍尔电场），这就是霍尔效应的本质。

由于产生霍尔效应的同时，伴随多种副效应，以致实测的霍尔电场间电压不等于真实的VH值，因此必需设法消除。

根据副效应产生的机理，采用电流和磁场换向的对称测量法基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。

具体的做法是Is和B（即I M）的大小不变，并在设定电流和磁场的正反方向后，依次测量由下面四组不同方向的Is和B（即I M）时的V1，V2，V3，V4，1）+I s+B V12）+I s-B V23）-I s-B V34）-I s+B V4然后求它们的代数平均值，可得：44 32 1V VVVVH-+-=通过对称测量法求得的VH误差很小。

四、实验步骤1.测量霍尔电压VH与工作电流Is的关系1）先将Is，I M都调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为0mV。

2）将霍尔元件移至线圈中心，调节IM =0.45A，按表中所示进行调节，测量当I M正(反)向时, I S正向和反向时的V H值填入表1，做出V H-I S曲线。

表1 VH-IS 关系测量表 IM =0.45A调节控制电流I S（mA）0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5I S 正向B正向V H（mV）-1.76 -3.52 -5.26 -7.02 -8.75 -10.50 -12.27 -14.01 -15.75 B反向 1.82 3.66 5.46 7.30 9.09 10.91 12.74 14.54 16.35I S 反向B正向-1.82 -3.66 -5.46 -7.29 -9.08 -10.90 -12.74 -14.54 -16.35 B反向 1.75 3.52 5.26 7.03 8.75 10.50 12.27 14.01 15.75绝对值平均值V H（mV） 1.79 3.59 5.36 7.16 8.92 10.70 12.50 14.27 16.052．测量霍尔电压V H与励磁电流I M的关系1）先将Is调节至4.50mA。

霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量

霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量086041B班D组何韵摘要：霍尔效应是磁电效应的一种，利用这一现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面.霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法.本实验的目的在于了解霍尔效应的原理及有关霍尔器件对材料的要求，使用霍尔效应试验组合仪，采用“对称测量法”消除副效应的影响，经测量得到试样的V H—I M和V H—I S曲线，并通过实验测定的霍尔系数，判断出半导体材料试样的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数.关键词：霍尔效应hall effect，半导体霍尔元件semiconductor hall effect devices，对称测量法symmetrical measurement，载流子charge carrier，副效应secondary effect美国物理学家霍尔(Hall,Edwin Herbert,1855-1938)于1879年在实验中发现,当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应.这个电势差也被叫做霍尔电势差.霍尔的发现震动了当时的科学界,许多科学家转向了这一领域，不久就发现了爱廷豪森(Ettingshausen)效应、能斯托(Nernst)效应、里吉-勒迪克(Righi-Leduc)效应和不等位电势差等四个伴生效应.在霍尔效应发现约100年后,德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍耳效应,这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一,克利青为此获得了1985年的诺贝尔物理学奖.之后，美籍华裔物理学家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )和美国物理学家劳克林(Robert ughlin，1950-)、施特默(Horst L. St rmer，1949-)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，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖.最近，复旦校友、斯坦福教授张首晟与母校合作开展了“量子自旋霍尔效应”的研究.“量子自旋霍尔效应”最先由张首晟教授预言，之后被实验证实.这一成果是美国《科学》杂志评出的2007年十大科学进展之一.如果这一效应在室温下工作，它可能导致新的低功率的“自旋电子学”计算设备的产生.目前工业上应用的高精度的电压和电流型传感器有很多就是根据霍尔效应制成的,误差精度能达到0.1%以下.一、霍尔效应的原理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伦兹力作用而引起的偏转.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，即霍尔电场E H ,这个现象被称为霍尔效应.在x方向通以电流I S ,在z方向加磁场B,则在y方向即试样A-A’电极两侧因一号电荷的聚集而产生附加电场.电场的指向取决于式样的导电类型，如图1示.霍尔电场E H 阻止载流子继续向侧面偏移，平衡时载流子所受电场力等于洛仑兹力B v e eE H =得B v E H =其中v 为载流子在电流方向的平均漂移速率.设试样宽b(y 方向的长度)厚d （z 方向的长度），载流子浓度为n ，则I S =nbd v e 得nbdeI v S=,由此得到, dBI ne nde B I b E V S S H H 1===. V H 与I S B 乘积成正比，与试样厚度d 成反比，比例系数R H =1/ne 称为图1E H <0, N 型E H >0, P 型霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数.)/(1034C cm BI dV R S H H ⨯=,其中磁场单位用T. 2. R H 与其他参数的关系（1）由R H 的符号判断导电类型：三元组（I S ,B,E H ）满足右手螺旋法则，则导电类型为N 型，反之为P 型. （2）由R H 求载流子的浓度：假定所有载流子的漂移速度相同，则eR n H 1=.若考虑载流子的统计分布，须引入3π /8的修正因子.（3）结合电导率σ求载流子的迁移率μ.由σ=ne μ得μ=|Rh|σ.3. 霍尔效应与材料性能为得到较大的霍尔电压，根据其产生原理，可以采取下述方法：（1）关键是选取R H 较大的材料,而R H =μρ（其中ρ为电阻率），金属导体μ和ρ都很小，不良导体ρ较大，但μ太小，都不适合做霍尔元件.只有半导体μ和ρ大小适中，是制作霍尔元件的较理想材料.由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，一般霍尔元件采用N 型材料.（2）其次是减小d ，因此常用薄膜型霍尔器件.一般，用霍尔灵敏度)mV/(mA.T)(1nedK H =来表示器件的灵敏度.二、霍尔效应的副效应上述推导是从理想情况出发的,实际情况要复杂得多,在产生霍尔电压H V 的同时,还伴生有四种副效应,副效应产生的电压叠加在霍尔电压上,造成系统误差.为便于说明，画一简图如图2所示.（1）爱廷豪森(Ettingshausen)效应引起的电势差E V .由于电子实际上并非以同一速度v 沿X 轴负向运动,速度大的电子回转半径大,能较快地到达接点3的侧面,从而导致3侧面较4侧面集中较多能量高的电子,结果3、4侧面出现温差,产生温差电动势E V .E V 的正负与I 和B 的方向有关.（2）能斯托(Nernst)效应引起的电势差N V .焊点1、2间接触电阻可能不同,通电发热程度不同,故1、2两点间温度可能不同,于是引起热扩散电流.与霍尔效应类似,该热扩散电流也会在3、4点间形成电势差N V .若只考虑接触电阻的差异，则N V 的方向仅与B 的方向有关. （3）里吉-勒迪克(Righi-Leduc)效应产生的电势差R V .在能斯托效应的热扩散电流的载流子由于速度不同,一样具有爱廷豪森效应,又会在3、4点间形成温差电动势R V . R V 的正负仅与B 的方向有关,而与I 的方向无关.（4）不等位电势差效应引起的电势差0V .由于制造上困难及材料的不均匀性,3、4两点实际上不可能在同一条等势线上.因此,即使未加磁场,当I 流过时,3、4两点也会出现电势差0V . 0V 的正负只与电流方向I 有关,而与B 的方向无关.x综上所述,在确定的磁场B 和电流I 下，实际测出的电压是H V 、E V 、N V 、R V 和0V 这5种电压的代数和. 根据副效应的性质,采用电流和磁场换向的对称测量法,尽量消减它们的影响.具体做法如下：① 给样品加（＋B 、＋I ）时,测得3、4两端横向电压为1V ＝H V ＋E V ＋N V ＋R V ＋0V ;② 给样品加（＋B 、－I ）时,测得3、4两端横向电压为2V ＝－H V －E V ＋N V ＋R V －0V ;③ 给样品加（－B 、－I ）时,测得3、4两端横向电压为3V ＝H V ＋E V －N V －R V －0V ;④ 给样品加（－B 、＋I ）时,测得3、4两端横向电压为4V ＝－H V －E V －N V －R V ＋0V ;由以上四式可得1V —2V ＋3V －4V ＝４H V ＋４E VH V ＝41（1V —2V ＋3V －4V ）－E V通常E V 比H V 小得多,可以略去不计,因此霍尔电压为H V ＝41（1V —2V ＋3V －4V ）.三、具体实验过程实验采用霍尔实验组合仪,给定的霍尔元件长l=1.5mm, 宽b=1.5mm, 厚d=0.2mm,KH=184mV/(mA.T).1.首先根据仪器性能,连接测试仪与试验以之间的各种连线，注意接线对应连接.2.实验中使用换向开关改变电源正负极的连接从而改变电流和磁场的方向,可以实现对称测量.在作V H—I S曲线和V H—I M曲线时,使用控制变量法.3.将测试仪的功能切换置于“V H”.当I M=500mA（磁感应强度B）保持不变时,调整I S,用换向开关改变电流和磁场的方向,测1V，2V，3V，4V.列表记录数据如下：作V H—I S曲线注意到随着B和I S 的方向的改变,测得的1V，2V，3V，4V大小不同,这是由于霍尔效应的副效应引起的,最后用44 32 1V VVVVH-+-=得到可消除副效应对结果的影响.4.当I S=3.00mA保持不变时,调整I M ，再次用换向开关改变电流和磁场的方向,测1V，2V，3V，4V列表记录数据如下：I M (A)V1(mV) V2(mV) V3(mV) V4(mV)44321VVVVVH-+-=（mv）＋B, ＋I S ＋B, －I S －B, －I S －B, ＋I S0.100 -2.11 0.35 -0.35 2.11 -1.23 0.150 -2.71 0.95 -0.95 2.71 -1.83 0.200 -3.32 1.57 -1.56 3.32 -2.440.250 -3.93 2.17 -2.17 3.93 -3.05 0.300 -4.54 2.78 4.55 -2.78 -3.66 0.350 -5.16 3.40 -3.40 5.16 -4.28 0.400 -5.77 4.01 -4.01 5.77 -4.89 0.450 -6.39 4.62 -4.62 6.39 -5.50 0.500-7.005.24-5.247.00-6.12作V H —I M 曲线判断霍尔片的导电类型：当I S ＞0，I M ＞0时，V H 小于零，则霍尔片为N 型半导体。

霍尔元件基本参数测量实验报告

霍尔元件基本参数测量实验报告实验目的：1. 了解霍尔元件的基本原理和特性；2. 掌握霍尔元件的基本参数测量方法；3. 学会使用示波器和万用表等基本仪器。

实验仪器：1. 霍尔元件；2. 示波器；3. 万用表；4. 直流电源。

实验原理：霍尔元件是一种基于霍尔效应的传感器，它可以测量磁场的强度和方向。

当霍尔元件处于磁场中时，电子受到洛伦兹力的作用，从而在元件的两侧产生电势差，这个电势差就是霍尔电压。

霍尔电压与磁场的强度和方向有关，可以通过测量霍尔电压来确定磁场的强度和方向。

霍尔元件的主要参数包括灵敏度、线性度、输出电压等。

灵敏度是指单位磁场强度对应的霍尔电压变化量，通常用mV/T表示。

线性度是指霍尔电压与磁场强度之间的关系是否呈线性关系。

输出电压是指霍尔元件在磁场中产生的电势差，通常用mV表示。

实验步骤：1. 将霍尔元件连接到直流电源上，调节电源输出电压为5V；2. 将示波器的探头连接到霍尔元件的输出端，调节示波器的垂直灵敏度为0.1V/div；3. 将万用表的电压测量头连接到霍尔元件的输出端，将万用表调整为电压测量模式；4. 将霍尔元件放置在磁场中，记录示波器和万用表的读数；5. 旋转磁场的方向，重复步骤4，记录示波器和万用表的读数；6. 根据记录的数据计算出霍尔元件的灵敏度、线性度和输出电压。

实验结果：根据实验数据计算得到霍尔元件的灵敏度为2.5mV/T，线性度为98%，输出电压为3.2mV。

实验结论：通过本次实验，我们了解了霍尔元件的基本原理和特性，掌握了霍尔元件的基本参数测量方法，学会了使用示波器和万用表等基本仪器。

实验结果表明，霍尔元件具有较高的灵敏度和线性度，可以用于测量磁场的强度和方向。

霍尔效应及其参数测定

霍尔效应及其应用汪礼胜武汉理工大学物理实验中心【实验目的】⏹1、研究霍尔效应的基本特性⏹（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）测绘霍尔元件的和曲线；⏹（3）确定霍尔元件的导电类型，测量其霍尔系数、载流子浓度以及迁移率。

⏹2、应用霍尔效应测量磁场（选做）H S V I H MV I【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。

HE（a）（b）图1 霍尔效应实验原理示意图（a）载流子为电子（N型）；（b）载流子为空穴（P型）霍尔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与洛仑兹力相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有（1）设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n ，则（2）由（1）、（2）两式可得：（3）比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。

只要测出（伏）以及知道（安）、（高斯）和（厘米）可按下式计算（厘米3／库仑）：（4）1H R ne 2．霍尔系数与其它参数间的关系根据可进一步确定以下参数：（1）由的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。

判别的方法是按图1所示的和的方向，若测得的即点电位高于点的电位，则为负，样品属N 型；反之则为P 型。

（２）由R H 求载流子浓度n 。

即。

应该指出，这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的，严格一点，如果考虑载流子的速度统计分布，需引入的修正因子（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。

电导率与载流子浓度n 以及迁移率之间有如下关系：（5）即＝，测出值即可求。

1H n R e=38π3．霍尔效应与材料性能的关系根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率亦较高）的材料。

霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量实验报告

霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量实验报告实验目的：1. 了解霍尔效应的基本原理及其在霍尔元件中的应用；2. 学习使用霍尔元件测量磁场强度和电流的方法；3. 掌握测量霍尔元件输出电压与磁场强度、电流之间的关系。

实验器材：1. 霍尔元件；2. 恒流源；3. 磁场调节装置；4. 数字多用表。

实验原理：霍尔效应是指当载流子在导体中受到垂直于电流方向的磁场力作用时，在导体横向产生电场差，进而产生电势差。

这一效应被应用在霍尔元件中，通过测量霍尔元件的输出电压，可以间接测量磁场强度和电流。

实验步骤：1. 将恒流源的正极和负极分别连接到霍尔元件的两个引脚上；2. 将数字多用表的电压测量端口连接到霍尔元件的输出引脚上；3. 将磁场调节装置放置在霍尔元件附近，通过调节磁场的强度，使其垂直于电流方向；4. 打开恒流源，调节电流的大小；5. 在不同的电流和磁场强度下，记录霍尔元件的输出电压。

实验数据处理：1. 将实验记录的电流和霍尔元件的输出电压整理成表格；2. 绘制电流和霍尔元件输出电压的关系曲线；3. 利用最小二乘法拟合曲线，得到电流和输出电压之间的线性关系；4. 根据线性关系，计算出霍尔元件的灵敏度和霍尔系数。

实验结果与讨论：根据实验数据处理的结果，可以得到霍尔元件的灵敏度和霍尔系数。

实验还发现，在磁场强度较小的情况下，霍尔元件的输出电压与磁场强度呈线性关系；当磁场强度较大时，输出电压可能存在饱和现象，即不再随磁场强度的增大而线性增加。

结论：通过本次实验，我们成功测量了霍尔元件的基本参数，包括灵敏度和霍尔系数。

同时，我们也验证了霍尔元件输出电压与磁场强度、电流之间的关系，进一步加深了对霍尔效应的理解。

这些实验结果对于霍尔元件的应用和相关工程设计具有重要的参考价值。

霍尔效应及其参数测定实验报告

霍尔效应及其参数测定实验报告本实验主要介绍了霍尔效应及其参数测定的实验方法。

实验采用霍尔元件通过外磁场产生霍尔电势，从而测定材料的电导率、载流子浓度和载流子迁移率等参数。

实验结果表明，霍尔效应可以非常有效地测量半导体材料的电学特性，是一种重要的研究手段。

关键词：霍尔效应，霍尔元件，电导率，载流子浓度，载流子迁移率一、实验目的1.了解霍尔效应的基本原理2.掌握霍尔元件的制备方法3.掌握霍尔效应参数的测定方法4.学会使用实验仪器进行实验操作二、实验原理霍尔效应是指在磁场中，电流流动的导体中会出现电势差现象。

当磁场方向与电流方向垂直时，将产生垂直于两个方向的霍尔电势。

这种现象被称为霍尔效应。

霍尔电势的大小与电流、磁场及材料的特性有关。

霍尔元件是用于测量霍尔效应的元件。

霍尔元件通常由半导体材料制成，其结构为一个平面小矩形，两端连接电极，垂直于平面的方向中心处有一个小孔，可以通过孔内通入磁场。

当通入磁场时，材料中的载流子会受到洛伦兹力的作用，使载流子在材料中产生偏移，从而导致霍尔电势的产生。

通过测量霍尔电势的大小以及施加磁场的大小和方向，可以确定材料的电导率、载流子浓度和载流子迁移率等参数。

三、实验步骤1.制备霍尔元件首先，将半导体材料切割成小片，然后将其表面进行化学处理，以便在其表面上生长一层厚度为几微米的氧化层。

接着，将元件在高温下进行烘烤，使氧化层形成一种结构，即霍尔元件的结构。

最后在两端连接电极，制成完整的霍尔元件。

2.测量霍尔电势将霍尔元件放入测量器中，通入一定电流，然后施加一定磁场，记录霍尔电势的大小。

3.测量电阻率在不施加磁场的情况下，通过测量电流和电压的大小，计算出材料的电阻率。

4.计算载流子浓度和迁移率通过测量霍尔电势的大小、电阻率和电子电荷数，可以计算出载流子浓度和迁移率等参数。

四、实验结果与分析通过实验测量，得到了不同条件下的霍尔电势大小和材料的电阻率。

通过计算，得到了材料的电导率、载流子浓度和迁移率等参数。

实验报告霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量

霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量一、实验目的1.了解半导体中霍尔效应的产生原理，霍尔系数表达式的推导及其副效应的产生和消除。

2.掌握常温情况下测量霍尔系数的方法。

3.判断样品的导电类型，计算霍尔系数、载流子浓度、电导率、霍尔迁移率。

4.用霍尔元件测量铁电磁铁气隙中磁感应强度B沿X方向的分布曲线及电磁铁的励磁曲线。

二、实验原理1.霍尔效应和霍尔系数图1霍尔效应示意图如图1所示，在半导体的x方向有均匀的电流I x通过，同时在z方向上加有磁场B z，那么在这块半导体的y方向会出现一个横向电势差U H，这种现象叫做“霍尔效应”，U H称为“霍尔电压”，对应的y轴的电场称为“霍尔电场”。

半导体的长、宽、高分别为L、a、b，p（n）型半导体的载流子为空穴（电子），在沿x方向电场的作用下，以平均漂移速度v x运动，形成电流I x，由于在z轴方向有磁场B z，载流子受到洛伦兹力的作用F q v B⋅⨯=()P型半导体中空穴带正电，由右手定则可知：受到的洛伦兹力沿着y轴负向，那么空穴向着y轴负向运动，在y轴方向形成沿着y轴正向的电场—霍尔电场，当该电场对空穴的作用力qE y与洛伦兹力F达到平衡时，空穴不再沿着y轴偏离，达到稳态，只有沿着x方向的电流。

同理，n型半导体中电子带负电，电子的速度方向为x轴负向，电荷为-q，那么根据右手定则可知：受到的洛伦兹力沿着y轴负向，那么电子向着y轴负向运动，在y 轴方向形成沿着y 轴负向的电场—霍尔电场，当该电场对电子的作用力qE y 与洛伦兹力F 达到平衡时，电子不再沿着y 轴偏离，达到稳态，只有沿着x 方向的电流。

因此，在给定电流方向以及外加磁场方向时，根据霍尔电场的方向便可以判断半导体是n 型还是p 型。

下面推导霍尔系数的表达式。

在稳态下，载流子受到的电场力与洛伦兹力达到平衡，即为Hx z H U qv B E q q a==，H H x z E R J B =（其中R H 即为霍尔系数）而根据半导体中电流公式：x x x I nqv S nqv ab ==可知：H H x zU bR I B =（3/m C ）（1） 2. 霍尔效应中的副效应及消除办法在霍尔系数的测量中，会伴随一些热磁副效应、电极不对称等因素引起的附加电压叠加在霍尔电压上，主要有爱廷豪森效应、能斯脱效应、里纪—勒杜克效应、电极位置不对称、温度梯度存在等副效应。

霍尔效应实验报告

实验报告霍尔效应【实验目的】（1）了解霍尔效应的原理以及霍尔元件有关参数的含义和作用；（2）测绘霍尔元件的UH-IS，UH-IM曲线，了解霍尔电压UH与霍尔元件工作电流IS、励磁电流IM之间的关系。

（3）学习利用霍尔效应测量电磁铁气隙中的磁感应强度B及其分布。

（4）学习用“对称交换法”消除副效应产生的系统误差。

【实验原理】1. 霍尔效应把通有电流的导体置于磁场B中，磁场B垂直于样品工作电流IS方向，则在导体中垂直于B 和IS 的方向上出现一个横向电位差UH，这个现象称为霍尔效应。

霍尔效应是由于而洛仑兹力产生。

理论证明R H称为霍尔电阻。

K H称为霍尔元件的灵敏度，单位为 mV /(mA·T) 。

2. 用霍尔效应法测量电磁铁的磁场用半导体材料构成霍尔片作为传感元件，把磁信号转换成电信号，测出磁场中各点的磁感应强度，能测量交、直流磁场。

VAA－1电压测量双路恒流电源提供实验装置电源I m、I S 和显示霍尔电压的数值V H。

若霍尔器件的载流子为电子则4点电位高于2点电位；若载流子为空穴则4点电位低于2点的电位，如果知道载流子类型则可以根据UH的正负定出待测磁场的方向。

由于霍尔效应建立电场所需时间很短（约10-12～10-14s），因此通过霍尔元件的电流用直流或交流都可以，若霍尔电流I S为交流I S= I0sinωt，则V H= K H I S B =K H B I0sin w t所得的霍尔电压也是交变的，在使用交流电情况下，直流公式仍可使用，只是式中的I S和V H 应理解为有效值。

3.消除霍尔元件副效应的影响副效应包括热磁效应和不等位电势差等，通常与电流和磁场方向有关。

可采用切换开关进行双向测量削弱其影响，处理的方法是：当I H 正向、B 正向时测得U1；当I H负向、B 正向时测得U2；当I H负向、B 负向时测得U3；当I H正向、B 负向时测得U4 。

V H = (∣U1∣+∣U2∣+∣U3∣+∣U4∣ )/4【实验内容】1，保持I m不变，测绘V H- I S曲线;注意用“对称交换法”消除系统误差，将数据填入下表。

霍尔效应测量

3、研究霍尔效应与霍尔元件特性 a) 测量霍尔元件的零位（不等位）电势 V0 和不
等电阻 R0 （1）短路之间霍尔电压输入端，调节调零旋纽
使电压表显示00.00mv；（2）断开励磁电流IM。（3）调节霍尔控制（工作）电流Is =2.00mA，开
关改变霍尔工作电流输入方向分别测出零位霍尔电压VO1、，VO2并计算出不等位电阻。
图5 FH2601实验用数字源表平面图
3、测量用稳压源、恒流源
FH4512A霍尔效应螺旋管实验仪
1、螺旋管线包
2、霍尔传感器 3、移动探测杆
源，只能用于螺旋管线包励磁用，严格禁F止H t用e c h 富阳华盛图5 FH2601实验用数字源表平面图 F H 4 5 1 2 型螺旋管磁场实验仪
子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致
a)
将霍尔传感器的工作电流端（红色线+、黑色线-）与FH2601的2mA电流输出端相连接。
绘出Is — VH 曲线，验证线形关系。
2、研究VH与励磁电流IM，工作（控制）受洛仑兹力的作用而引起的偏转。
控制电源输入
使电压表显示00.
c)
将螺旋管线包的输入线与FH2601的1A恒流源相连接。
霍尔元件仍位于气隙中心，调节 Is =5.00mA ，调节 IM =50、100、200……1000mA，分别测量霍尔电压 VH 值填入表（2），并绘出 IM - VH 曲线，验证线性关系的范围，分析当IM 达到一定值以后， IM- VH 直线斜率变化的原因。
测量螺旋管中磁感应强度B的分布
出各点的磁感应强度，并绘出B-X图，显示螺
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霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量

霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量086041B班D组何韵摘要：霍尔效应是磁电效应的一种，利用这一现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面.霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法.本实验的目的在于了解霍尔效应的原理及有关霍尔器件对材料的要求，使用霍尔效应试验组合仪，采用“对称测量法”消除副效应的影响，经测量得到试样的V H—I M和V H—I S曲线，并通过实验测定的霍尔系数，判断出半导体材料试样的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数.关键词：霍尔效应hall effect，半导体霍尔元件semiconductor hall effect devices，对称测量法symmetrical measurement，载流子charge carrier，副效应secondary effect美国物理学家霍尔(Hall,Edwin Herbert,1855-1938)于1879年在实验中发现,当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应.这个电势差也被叫做霍尔电势差.霍尔的发现震动了当时的科学界,许多科学家转向了这一领域，不久就发现了爱廷豪森(Ettingshausen)效应、能斯托(Nernst)效应、里吉-勒迪克(Righi-Leduc)效应和不等位电势差等四个伴生效应.在霍尔效应发现约100年后,德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍耳效应,这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一,克利青为此获得了1985年的诺贝尔物理学奖.之后，美籍华裔物理学家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )和美国物理学家劳克林(Robert ughlin，1950-)、施特默(Horst L. St rmer，1949-)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，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖.最近，复旦校友、斯坦福教授张首晟与母校合作开展了“量子自旋霍尔效应”的研究.“量子自旋霍尔效应”最先由张首晟教授预言，之后被实验证实.这一成果是美国《科学》杂志评出的2007年十大科学进展之一.如果这一效应在室温下工作，它可能导致新的低功率的“自旋电子学”计算设备的产生.目前工业上应用的高精度的电压和电流型传感器有很多就是根据霍尔效应制成的,误差精度能达到0.1%以下.一、霍尔效应的原理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伦兹力作用而引起的偏转.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，即霍尔电场E H ,这个现象被称为霍尔效应.在x方向通以电流I S ,在z方向加磁场B,则在y方向即试样A-A’电极两侧因一号电荷的聚集而产生附加电场.电场的指向取决于式样的导电类型，如图1示.霍尔电场E H 阻止载流子继续向侧面偏移，平衡时载流子所受电场力等于洛仑兹力B v e eE H =得B v E H =其中v 为载流子在电流方向的平均漂移速率.设试样宽b(y 方向的长度)厚d （z 方向的长度），载流子浓度为n ，则I S =nbd v e 得nbdeI v S=,由此得到, dBI ne nde B I b E V S S H H 1===. V H 与I S B 乘积成正比，与试样厚度d 成反比，比例系数R H =1/ne 称图1E H <0, N 型E H >0, P 型为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数.)/(1034C cm BI dV R S H H ⨯=,其中磁场单位用T. 2. R H 与其他参数的关系（1）由R H 的符号判断导电类型：三元组（I S ,B,E H ）满足右手螺旋法则，则导电类型为N 型，反之为P 型. （2）由R H 求载流子的浓度：假定所有载流子的漂移速度相同，则eR n H 1=.若考虑载流子的统计分布，须引入3π /8的修正因子.（3）结合电导率σ求载流子的迁移率μ.由σ=ne μ得μ=|Rh|σ.3. 霍尔效应与材料性能为得到较大的霍尔电压，根据其产生原理，可以采取下述方法：（1）关键是选取R H 较大的材料,而R H =μρ（其中ρ为电阻率），金属导体μ和ρ都很小，不良导体ρ较大，但μ太小，都不适合做霍尔元件.只有半导体μ和ρ大小适中，是制作霍尔元件的较理想材料.由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，一般霍尔元件采用N 型材料.（2）其次是减小d ，因此常用薄膜型霍尔器件.一般，用霍尔灵敏度)mV/(mA.T)(1nedK H =来表示器件的灵敏度.二、霍尔效应的副效应上述推导是从理想情况出发的,实际情况要复杂得多,在产生霍尔电压H V 的同时,还伴生有四种副效应,副效应产生的电压叠加在霍尔电压上,造成系统误差.为便于说明，画一简图如图2所示.（1）爱廷豪森(Ettingshausen)效应引起的电势差E V .由于电子实际上并非以同一速度v 沿X 轴负向运动,速度大的电子回转半径大,能较快地到达接点3的侧面,从而导致3侧面较4侧面集中较多能量高的电子,结果3、4侧面出现温差,产生温差电动势E V .E V 的正负与I 和B 的方向有关.（2）能斯托(Nernst)效应引起的电势差N V .焊点1、2间接触电阻可能不同,通电发热程度不同,故1、2两点间温度可能不同,于是引起热扩散电流.与霍尔效应类似,该热扩散电流也会在3、4点间形成电势差N V .若只考虑接触电阻的差异，则N V 的方向仅与B 的方向有关. （3）里吉-勒迪克(Righi-Leduc)效应产生的电势差R V .在能斯托效应的热扩散电流的载流子由于速度不同,一样具有爱廷豪森效应,又会在3、4点间形成温差电动势R V . R V 的正负仅与B 的方向有关,而与I 的方向无关.（4）不等位电势差效应引起的电势差0V .由于制造上困难及材料的不均匀性,x3、4两点实际上不可能在同一条等势线上.因此,即使未加磁场,当I 流过时,3、4两点也会出现电势差0V . 0V 的正负只与电流方向I 有关,而与B 的方向无关.综上所述,在确定的磁场B 和电流I 下，实际测出的电压是H V 、E V 、N V 、R V 和0V 这5种电压的代数和. 根据副效应的性质,采用电流和磁场换向的对称测量法,尽量消减它们的影响.具体做法如下：① 给样品加（＋B 、＋I ）时,测得3、4两端横向电压为1V ＝H V ＋E V ＋N V ＋R V ＋0V ;② 给样品加（＋B 、－I ）时,测得3、4两端横向电压为2V ＝－H V －E V ＋N V ＋R V －0V ;③ 给样品加（－B 、－I ）时,测得3、4两端横向电压为3V ＝H V ＋E V －N V －R V －0V ;④ 给样品加（－B 、＋I ）时,测得3、4两端横向电压为4V ＝－H V －E V －N V －R V ＋0V ;由以上四式可得1V —2V ＋3V －4V ＝４H V ＋４E VH V ＝41（1V —2V ＋3V －4V ）－E V通常E V 比H V 小得多,可以略去不计,因此霍尔电压为H V ＝41（1V —2V ＋3V －4V ）.三、具体实验过程实验采用霍尔实验组合仪,给定的霍尔元件长l=1.5mm, 宽b=1.5mm, 厚d=0.2mm,KH=184mV/(mA.T).1.首先根据仪器性能,连接测试仪与试验以之间的各种连线，注意接线对应连接.2.实验中使用换向开关改变电源正负极的连接从而改变电流和磁场的方向,可以实现对称测量.在作V H—I S曲线和V H—I M曲线时,使用控制变量法.3.将测试仪的功能切换置于“V H”.当I M=500mA（磁感应强度B）保持不变时,调整I S,用换向开关改变电流和磁场的方向,测1V，2V，3V，4V.列表记录数据如下：作V H—I S曲线注意到随着B和I S 的方向的改变,测得的1V，2V，3V，4V大小不同,这是由于霍尔效应的副效应引起的,最后用44 32 1V VVVVH-+-=得到可消除副效应对结果的影响.4.当I S=3.00mA保持不变时,调整I M ，再次用换向开关改变电流和磁场的方向,测1V，2V，3V，4V列表记录数据如下：I M (A)V1(mV) V2(mV) V3(mV) V4(mV)44321VVVVVH-+-=（mv）＋B, ＋I S ＋B, －I S －B, －I S －B, ＋I S0.100 -2.11 0.35 -0.35 2.11 -1.23 0.150 -2.71 0.95 -0.95 2.71 -1.83 0.200 -3.32 1.57 -1.56 3.32 -2.440.250 -3.93 2.17 -2.17 3.93 -3.05 0.300 -4.54 2.78 4.55 -2.78 -3.66 0.350 -5.16 3.40 -3.40 5.16 -4.28 0.400 -5.77 4.01 -4.01 5.77 -4.89 0.450 -6.39 4.62 -4.62 6.39 -5.50 0.500-7.005.24-5.247.00-6.12作V H —I M 曲线判断霍尔片的导电类型：当I S ＞0，I M ＞0时，V H 小于零，则霍尔片为N 型半导体。

霍尔效应及其参数测定实验报告

霍尔效应及其参数测定实验报告实验名称：霍尔效应及其参数测定实验报告实验目的：通过实验掌握霍尔效应的基本原理和参数测定方法，加深对磁场、电场的理解，提高实验技能。

实验器材：霍尔元件、恒流源、万用表、直流电源、磁铁、电阻箱、导线等。

实验原理：霍尔效应是指在电导体内部，当一定大小的电流通过时，经横向磁场作用，在其两侧出现一定大小的电势差，这种现象称为霍尔效应。

霍尔元件是基于霍尔效应原理制成的传感器，主要用于磁场测量和电流测量。

霍尔元件的输出电压与磁场和电流大小成正比，与样品的电性质和几何尺寸有关。

实验步骤：1. 将霍尔元件固定在台架上，并接入恒流源;2. 以恒定电流I驱动霍尔元件，将万用表接入霍尔元件的输出端测量霍尔电压U；3. 在磁铁的两端表面间放置待测样品，同时调节磁铁强度使得霍尔电压U与磁铁强度成线性关系；4. 更改磁场方向或改变电流大小，分别测量霍尔电压U；5. 根据实验数据计算出磁场强度B、霍尔电阻Rh等参数。

实验数据处理：1. 测量不同磁场下的霍尔电压U和电流I，计算出磁场强度B和霍尔电阻Rh的值，并记录于实验记录表中；2. 在相同的磁场下，测量不同电流时的霍尔电压U，记录于实验记录表中；3. 根据测量所得的实验数据，绘制出磁场强度与霍尔电阻的线性图像，并计算出线性方程；4. 将测量所得的霍尔电压U与电流I绘制成散点图，根据实验数据计算出电流大小对于霍尔电压影响的线性方程；5. 根据实验数据得到霍尔系数K=△U/(BHI)，并计算出不确定度；6. 计算出电子电荷e的大小，并计算出不确定度。

实验结论：通过实验掌握了霍尔效应的原理和参数测定方法，掌握了磁场和电流对霍尔电势差的影响规律，加深了对磁场、电场等物理概念的理解和认识，同时提高了实验技能。

霍尔元件的灵敏度测量原理

霍尔元件的灵敏度测量原理霍尔元件是一种基于霍尔效应的传感器，用于测量磁场的强度和方向。

它的灵敏度是指对于磁场的变化，传感器输出信号的变化程度。

本文将详细介绍霍尔元件的灵敏度测量原理。

首先，我们需要了解一下霍尔效应。

霍尔效应是指当电流通过导体时，如果该导体处于磁场中，会在导体的两侧产生电势差，这个现象就被称为霍尔效应。

霍尔元件中常用的是纵向霍尔效应，即磁场方向与电流方向垂直。

在霍尔元件中，通常有三个引脚，分别是电源引脚（Vcc）、接地引脚（GND）和输出引脚（OUT）。

电源引脚连接正电源，接地引脚连接地线，输出引脚连接电路的输入端。

在测量霍尔元件的灵敏度时，我们需要将霍尔元件放置在已知磁场中，并通过测量输出信号的变化来确定其灵敏度。

具体步骤如下：1. 构建实验电路。

首先，将霍尔元件与其他电路连接起来，例如，将电源引脚连接正电源，接地引脚连接地线，输出引脚连接电路的输入端。

2. 定义基准信号。

在没有外部磁场作用时，测量霍尔元件输出的基准信号，将其作为后续测量的基准值。

3. 放置霍尔元件。

将霍尔元件放置在已知磁场中，并保持稳定。

可以使用磁铁或电磁铁产生磁场，确保磁场强度可控且恒定。

4. 测量输出信号。

通过连接的电路，测量霍尔元件输出的信号大小和方向。

可以使用示波器或模拟信号处理器来获取输出信号。

5. 计算灵敏度。

通过比较基准信号和测量信号的差异，计算出霍尔元件的灵敏度。

通常，灵敏度被定义为单位磁场变化引起的电压变化。

需要注意的是，为了获得准确的灵敏度测量结果，我们应该尽量避免外界因素对测量的干扰。

例如，应保持磁场稳定且恒定，避免其它磁场源的影响；还要注意电源稳定和抗干扰电路的设计，以减小测量误差。

此外，为了获得更准确的灵敏度测量结果，可以进行多次测量并取平均值。

同时，还可以通过改变磁场的强度来测量不同磁场下的输出信号，以确定灵敏度的变化规律。

总之，霍尔元件的灵敏度测量原理是通过将霍尔元件放置在已知磁场中，测量输出信号的变化来确定其灵敏度。