实验18霍尔效应数据处理

实验18：霍耳效应及应用〔参考内容〕

一、实验目的：

1．了解霍耳效应实验原理

2．学习用"对称测量法"消除副效应的影响,测量实验试样〔霍尔元件〕的V H—Is曲线、V H—I M曲线.

3．确定试样〔霍尔元件〕的导电类型〔N型或P型〕.

二、实验器材〔型号、规格、件数〕

霍耳效应实验仪〔HLD—HL--IV型〕1台、

霍耳效应测试仪〔HLD—HL--IV型〕1台〔可用2台恒流源,1台数字电压表替代〕专用测试线6根

[仪器简介]

仪器外观图

图二实验仪电路连接图

三、实验原理

将一导电体〔金属或半导体〕薄片放在磁场中,并使薄片平面垂直于磁场方向.当薄片纵向端面有电流I流过时,在与电流I和磁场B垂直的薄片横向端面AA’间就会产生一电势差,这种现象称为霍耳效应〔Hall effect〕,所产生的电势差叫做霍耳电势差或霍耳电压,用V H表示.

霍耳效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力f洛作用而引起的偏转.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集累,从而形成附加的横向电场,即霍耳电场E H.

对实验所用试样〔霍尔元件〕,在X方向通以电流Is,在Z方向加磁场B,则在Y方向有霍耳电场E H.

当试样中载流子所受的横向电场力eE H与洛仑兹力evB相等时,样品两侧电荷积累达到平衡,因此有：f洛=F横向电场力

evB=eE H <1>

若霍尔元件几何参数如图已知,且n为载流子浓度,v为载流子在电流方

向上的平均漂移速度.有Is=nevbd <2>

由〔1〕〔2〕两式可得：V H =E H b=IsB/ned

则V H =R H〔IsB/d〕<3>

Is—X方向电流Y

I M-----I M励磁电流〔B磁场Z方向〕

R H=1/ne----霍尔系数X

V H---霍尔电压Z

由<3>式知：在外磁场不太强时,霍耳电压与工作电流和磁感应强度成正比,与薄片厚度成反比.V H ∝ Is；V H ∝ I M〔B〕；V H ∝1/d

四．实验内容

1、测绘试样〔霍尔元件〕V H—Is曲线

2、测绘试样〔霍尔元件〕V H—I M曲线

3、确定试样〔霍尔元件〕的导电类型〔N型或P型〕.

五、实验记录与数据处理

1．实验准备：

1〕记录励磁线圈相关参数:

2〕测试仪开机前应将Is,I M调节旋纽逆时针旋到底,使其输出电流趋于最小状态,然后开机.

3）按图二所示电路连接图连接好实验电路.注意输出电流与输入电流的正负极性.

提醒：

本实验的器件很容易损坏,有以下几点需要特别注意：

1〕接好线路需要老师检查后方可通电,这主要是为了避免将测试仪的励磁电源"I M 输出"

误接到实验仪的"Is输入"或"V H输出"处,否则一通电,霍尔器件即被破坏！

2〕电路开、关、或功能切换时,一定要将Is、I M旋钮逆时针旋转到底,也就是把它们的输出调为零,这主要是为了避免电压或者电流的突变对仪器、件造成破坏.

3〕霍尔片性脆易碎,电极甚细易断,实验中严禁触摸探头.

4〕关机前应再次将I S、I M调节旋钮逆时针方向旋到底,使其输出电流趋于0后,方可切断电源. 2．实验记录与数据处理

1〕测绘V H—Is曲线

将实验仪的三组开关均向上,即在X方向通以电流Is,在Z方向加磁场B,毫伏表电压为V CD=V H,调节I M=0.6A,保持其值不变,调节Is并记录相应的V H数据,将V H、Is数据,记于表1中.〔表中箭头代表实验仪Is,I M双向开关向上或向下,V H是绝对值取平均〕

表1I M=0.6AIs：1.00—4.00mA

由表1数据〔以电压为横轴,电流为纵轴〕做实验曲线,即绘出图1〔V H—Is曲线〕

V H

结论1：由图1可知

2〕测绘V H—I M曲线：

实验仪及测试仪各开关位置不变.

调节Is =3.00mA值不变,调节I M,记录相应的V H数据,将V H、I M数据记于表2中. 表2：Is =3.00mAI M：0.300—0.800A

由表2数据〔以电压为横轴,电流为纵轴〕做实验曲线,即绘出图2〔V H—I M曲线〕

H

结论2：由图2可知

3〕确定试样〔霍尔元件〕的导电类型〔N型或P型〕

将实验仪的三组开关均向上,即在X方向通以电流Is,在Z方向加磁场B,毫伏表电压为V CD=V H

取Is =2.00mA,I M =0.55A,测出V H= mV

按实验条件所测V H〔<、>〕0,因此,试样〔霍尔元件〕的导电类型为型半导体材料.

注：V H>0---- P型半导体材料〔空穴导电〕.

V H<0 ---- N型半导体材料〔电子导电〕.

实验结束：测量仪关机前应将Is,I M调节旋纽逆时针旋到底,使其输出电流趋于最小状态,然后关机.

思考并现场抽查回答问题：

1．霍耳电压是怎样形成的？

2．本实验中的磁场如何建立的？怎样改变大小？

3．换向开关的作用原理是什么？测量霍耳电压时为什么要接换向开关？

4．可否用交流电源给霍尔片供电？为什么？

5．解释提醒中1、2损坏仪器的具体原因.

6．实验操作中填写表1、2为何要纵向填写？

7．为何由V H 的正负就可测定试样〔霍尔元件〕的导电类型是P型半导体材料还是N

型半导体材料,试画出简图说明.

本实验报告要求：

1.实验报告完整、整洁、数据及图线清晰、准确、规范.

2.数据处理按有效值计算并保留到相应位数.

3.图线必须标明坐标〔含单位〕、实验测试点.

注：实验曲线可用坐标纸画图,也可用Origin数据处理软件由计算机做图.

4.依实验结果完成实验结论.