霍尔效应实验原理

B
b
+ + + + vd +q - - - - Fe
d
Fm
+ I
UH UR
12
不等位电势差U0(与IS方向有关)
由于工艺上的困难，霍耳电极两端引线c、e不恰好在一个 等位面上。只要有电流IS通过，即使无磁场，两端也会有 附加电压U0，显然U0与IS方向有关。IS反向， U0随之反向。 4 e 1 2
U H (U1 U 2 U 3 U 4 ) 4 U E
因为
U E U H
，一般可忽略不计，所以
U H (U1 U 2 U 3 U 4 ) 4
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16
霍尔效应测试仪
霍尔效应实验仪
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由电磁铁（2500GS/A）、霍尔样品及调节架、双刀双掷开关构成。
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霍尔效应实验仪的部件之一：电磁铁（2500GS/A）
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（1）厄廷豪森效应 (UE与IS、B方向都有关)
1887年爱廷豪森发现，霍耳元件中载流子速度并非都相 同。对速度大的载流子，洛伦兹力较大，对速度小的载 流子，洛伦兹力较小。这样，快慢两种载流子分别向两 侧偏转。两种载流子动能不同，在两侧与晶格碰撞产生 的热能不同，使得两侧形成温差，从而产生横向的温差 电动势，并产生横向的温差电压UE叠加在UH上。工作电 流IS的方向或B的方向的改变，都会使得快慢载流子偏转 方向改变，从而使UE的方向改变。 B
ห้องสมุดไป่ตู้
IS
c 3
13
副效应的消除
由于上述电势差的符号与磁场、电流方向有关， 因此在测量时改变磁场、电流方向就可以减少和 消除这些附加误差。 根据以上副效应产生的机理和特点，除厄廷豪森 副效应外，其余的都可利用异号测量法消除影 响。
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取 +B、+ I S 测得
I S 测得 取 – B、- I S 测得 取 – B、+I S 测得
霍尔效应实验
1
霍尔效应是霍尔 (Hall)24 岁时在美国霍普金斯大学 读研究生期间，研究关于 载流导体在磁场中的受力 性质时发现的一种磁电现 象。
Edwin Hall（1855～1938）
2
霍耳效应
1879年，霍尔（E.H.Hall，1855－1936 ）发 现，把一载流导体放在磁场中时，如果磁场方向与 电流方向垂直，则在与磁场和电流两者垂直的方向 上出现横向电势差。这一现象称为霍耳效应，这电 势差称为霍耳电势差。霍尔效应是磁电效应的一种。 B I ------------------+++++++++++++++ V2 V1
100
0
n3 n 4
5
n2
B/T
UH 霍耳电阻 RH I
10
15
h 2 ( n 1, 2, ) RH ne
7
霍耳效应的机理(载流子带负电)
Fm evB
Fe eEH
动态平衡时：
UH I
y ------ ----- -d v
Fm
V1
B I
evB eEH
z
b -e - F+ + + + +++++++e V2
B
b
+ + + + vd +q - - - - Fe
d
Fm
+ I
UH UN
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（3）里纪-勒杜克效应（ UR与B的方向有关）
• 由于热扩散电流I′的载流子的迁移速度不同，类似于厄 廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横 向的温度梯度，产生附加电压，记为UR 。 UR的方向 与工作电流IS的方向无关，但与磁场方向有关。
x
E H vB
U H V1 V2 EH b Bbv
I envbd
I v enbd
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1 IB UH en d
RH 称为霍耳系数
令：
1 RH ne
IB U H RH d
如果载流子带正电荷，则
1 RH qn
霍耳系数RH 与载流子密度n成反比。在金属中， 由于载流子密度很大，因此霍耳系数很小，相应 霍耳效应也很弱。而在一般半导体中，载流子密 度n 较小，因此霍耳效应也较明显。
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霍尔样品及调节架
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调节架上的水平和垂直刻度
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霍尔效应测试仪
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大理大学工程学院
罗凌霄编修
23
取 +B、-
消去 U N 、 UR 和 U0 得
U1 U H U E U N U R U 0 U 2 U H U E U N U R U 0 U3 U H U E U N U R U0 U 4 U H U E U N U R U 0
I
3
霍耳效应
4
霍耳效应的机理(载流子带正电)
B
+ + + + b vd +q - - - - -
d
IB 霍耳电压 U H RH d F
m
+
I
UH
qEH qvd B
EH vd B
U H EH b = vd bB
I qn v d S qn v d bd v d b I ( qnd ) IB UH nqd 1 霍耳 RH IB 系数 RH nq 5 d
Fe
霍耳效应的应用 （1）判断半导体的类型 B Fm + + + + I I vd + UH - - P 型半导体
+ + +
- - - v
d
B Fm
UH
N 型半导体
+
（2）测量磁场 霍耳电压
IB U H RH d
6
量子霍尔效应（1980年）
400
UH / mV
300 200
b
+ + + + vd +q - - - - Fe
d
Fm
+ I
UH UE
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（2）能斯特效应 (UN与B的方向有关)
• 工作电流引线焊点两端处接触电阻不同，通电后发热 程度不同，使两端存在温差，于是出现热扩散电流I′叠 加在工作电流IS上。加上磁场后， I′会引起横向电压 UN。 • I′的方向是固定的，不随IS方向的改变而改变。但改变 B的方向，UN方向会改变。