霍尔效应实验.

霍尔效应及其应用

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，这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。随着半导体物理学的迅速发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。如今，霍尔效应不但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，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽（高达10GHz ）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。

一、实验目的

1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。

2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量并绘制试样的V H －I S 和V H －I M 曲线。

3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。

二、实验原理

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的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。对于图（1）（a ）所示的N 型半导体试样，若在X 方向的电极D 、E 上通以电流Is ，在Z 方向加磁场B ，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力

（1）

其中e 为载流子（电子）电量， 为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B

B

v e F z V

（N型） 0 (Y)E （P型）

0 (Y)E (X)、B（Z） Is H H <>为磁感应强度。

无论载流子是正电荷还是负电荷，F z 的方向均沿Y 方向，在此力的作用下，载流子发生便移，则在Y 方向即试样A 、A ´电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样A 、A ´两侧产生一个电位差V H ，形成相应的附加电场E —霍尔电场，相应的电压V H 称为霍尔电压，电极A 、A ´称为霍尔电极。电场的指向取决于试样的导电类型。N 型半导体的多数载流子为电子，P 型半导体的多数载流子为空穴。对N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，P 型试样则沿Y 方向，有

（a ） （b ）

图 （1） 样品示意图

显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，试样中载流子将受一个与F g 方向相反的横向电场力

F E =eE H （2） 其中E H 为霍尔电场强度。

F E 随电荷积累增多而增大，当达到稳恒状态时，两个力平衡，即载流子所受的横向电场力e E H 与洛仑兹力B v e 相等，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有

B V e E e H = （3）

设试样的宽度为b ，厚度为d ，载流子浓度为n ，则电流强度I s 与的 关系为

d b v

e n Is =（4）

V

由（3）、（4）两式可得

d

IsB

R d IsB e n 1b E V H

H H ==

= （5） 即霍尔电压V H （A 、A ´电极之间的电压）与IsB 乘积成正比与试样厚度d 成反比。

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。根据霍尔

效应制作的元件称为霍尔元件。由式（5）可见，只要测出V H （伏）以及知道Is （安）、B （高斯）和d （厘米）可按下式计算R H （厘米3／库仑）。

8H H 10IsB

d

V R ⨯=

（6） 上式中的108 是由于磁感应强度B 用电磁单位（高斯）而其它各量均采用C 、G 、S 实用单位而引入。

注：磁感应强度B 的大小与励磁电流I M 的关系由制造厂家给定并标明在实验仪上。 霍尔元件就是利用上述霍尔效应制成的电磁转换元件，对于成品的霍尔元件，其R H 和d 已知，因此在实际应用中式（5）常以如下形式出现：

V H =K H I s B （7）

其中比例系数 K H =

ned

d R 1

H =

称为霍尔元件灵敏度（其值由制造厂家给出），它表示该器件在单位工作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压。I s 称为控制电流。（7）式中的单位取Is 为mA 、B 为KGS 、V H 为mV ，则K H 的单位为mV/（mA ·KGS ）。

K H 越大，霍尔电压V H 越大，霍尔效应越明显。从应用上讲， K H 愈大愈好。K H 与载流子浓度n 成反比，半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，因此用半导体材料制成的霍尔元件，霍尔效应明显，灵敏度较高，这也是一般霍尔元件不用金属导体而用半导体制成的原因。另外，K H 还与d 成反比，，因此霍尔元件一般都很薄。本实验所用的霍尔元件就是用N 型半导体硅单晶切薄片制成的。

由于霍尔效应的建立所需时间很短（约10-12—10-14s ），因此使用霍尔元件时用直流电或交流电均可。只是使用交流电时，所得的霍尔电压也是交变的，此时，式（7）中的I s 和V H 应理解为有效值。 根据R H 可进一步确定以下参数

e

n 1R H =

1．由R H 的符号（或霍尔电压的正、负）判断试样的导电类型

判断的方法是按图（1）所示的Is 和B 的方向，若测得的V H ＝V AA ＇＜0，（即点A

的电位低于点A ´的电位）则R H 为负，样品属N 型，反之则为P 型。

2．由R H 求载流子浓度n 由比例系数e

n 1

R H =

得，e R 1n H =.

应该指出，这个关系式是假定所有的载流子都具有相同的漂移速率得到的，严格一点，考虑载流子的漂移速率服从统计分布规律，需引入3π/8 的修正因子（可参阅黄昆、谢希德著半导体物理学）。但影响不大，本实验中可以忽略此因素。

3．结合电导率的测量，求载流子的迁移率μ

电导率σ与载流子浓度n 以及迁移率μ之间有如下关系

σ＝n e μ （8）

由比例系数e

n 1

R H =

得，μ＝|R H |σ，通过实验测出σ值即可求出μ。 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μ高、电阻率ρ亦较高）的材料。因|R H |＝μρ，就金属导体而言，μ和ρ均很低，而不良导体ρ虽高，但μ极小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件。半导体μ高，ρ适中，是制造霍尔器件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔器件都采用N 型材料，其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔器件的输出电压较片状要高得多。就霍尔元件而言，其厚度是一定的，所以实用上采用

d

e n 1

K H =

（9） 来表示霍尔元件的灵敏度，K H 称为霍尔元件灵敏度，单位为mV/（mA T ）或mV/（mA KGS ）。

三、实验仪器

1. TH －H 型霍尔效应实验仪，主要由规格为>2500GS/A 电磁铁、N 型半导体硅单晶切薄片式样、样品架、I S 和I M 换向开关、V H 和V σ（即V AC ）测量选择开关组成。