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1 I M=0.6A Is：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）

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 =3.00mA I 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 =0.55 A，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。