霍尔效应及其应用实验报告

学生物理实验报告

实验名称霍尔效应及其应用

学院专业班级报告人学号

同组人学号

理论课任课教师

实验课指导教师

实验日期

报告日期

实验成绩

批改日期

（3） 确定试样的导电类型，载流子浓度以及迁移率 实验仪器

1．TH －H 型霍尔效应实验仪，主要由规格为>3.00kGS/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。

2．TH －H 型霍尔效应测试仪，主要由样品工作电流源、励磁电流源和直流数字毫伏表组成。

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）

（a ） （b ）

图(1) 霍尔效应示意图

则在Y 方向即试样A 、A´电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场---霍尔电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，P 型试样则沿Y 方向，其一般关系可表示为

显然，该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 eE H 与洛伦兹力

F E 相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，此时有

F E =eE H （2）

其中E H 为霍尔电场强度，是载流子在电流方向上的平均漂移速率。

设试样的宽度为b ，厚度为d ，载流子浓度为n ，则

（3） 由（2）、（3）两式可得

（4）

在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的A 、A ′两电极之间的电压并

B

v g e =F bd

v ne Is =d B I b V S

H H S H R d B

I 1E ==

=ned

（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 ）

（10）电导率σ的测量，σ可以通过图2-21所示的A 、C 间的距离为l ，样品的横截面积为S=bd ，流经样品的电流为Is ，在零磁场下，若测得A 、C （A ′、C ′）间的电位差为V σ（V ac ）,可由下式求得σ

σ=Isl/V σS

实验步骤

按图（2）连接测试仪和实验仪之间相应的Is 、V H 和I M 各组连线，Is 及I M 换向开关投向上方，表明Is 及I M 均为正值（即Is 沿X 方向，B 沿Z 方向），反之为负值。V H 、V σ切换开关投向上方测V H ，投向下方测V σ（样品各电极及线包引线与对应的双刀开关之间连线已由制造厂家连接好）。

图（2） 霍尔效应实验仪示意图

接线时严禁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 、V σ输出”处，否则一旦通电，霍尔元件即遭损坏！

（2）对测试仪进行调零。将测试仪的“Is 调节”和“ I M 调节”旋钮均置零位，待开机数分钟后若V H 显示不为零，可通过面板左下方小孔的“调零”电位器实现调零，即“0.00”。

（3）测绘V H －Is 曲线。将实验仪的“V H 、V σ”切换开关投向V H 侧，测试仪的“功能切换”置V H 。保持I M 值不变（取I M ＝0.6A ），测绘V H －Is 曲线。

(4)测绘V H －Is 曲线。实验仪及测试仪各开关位置同上。保持Is 值不变，（取Is ＝3.00mA ），测绘V H －Is 曲线。

（5）测量V δ值。将“V H 、V σ”切换开关投向V δ侧，测试仪的“功能切换”置在零磁场下，取Is ＝2.00mA ，测量V δ。注意：Is 取值不要过大，以免V σ太大，毫伏表超量程（此时首位数码显示为1，后三位数码熄灭）。

d

e n 1

K H

（6）确定样品的导电类型。将实验仪三组双刀开关均投向上方，即Is 沿X 方向，B 沿Z 方向，毫伏表测量电压为V AA ´。取Is ＝2mA ，I M ＝0.6A ，测量V H 大小及极性，判断样品导电类型。

（7）求样品的R H 、n 、σ和 µ 值。

实验数据与结果

（1）测绘V H －I s 曲线，数据记录如下

Is

(mA) V1（mV ） V2（mV ） V3（mV ） V4（mV ）

+Is ﹑+B +Is ﹑-B -Is ﹑-B -Is 、+B 1.00 3.21 -3.01 2.80 -3.42 14.11

1.50 4.88 -4.47 4.26 -5.09 20.36

2.00 6.54 -5.93 5.72 -6.75 26.57 2.50 8.17 -7.36 7.15 -8.38 32.74

3.00 9.85 -8.83 8.62 -10.06 40.68

4.00

13.17

-11.74

11.52

-13.38

36.43

其中电流范围：I M ＝0.6A ；Is 取值：1.00-4.00 mA 。 图形如下(横坐标为I S /mA,纵坐标为V H /mV)

（2）绘测V H －I M 曲线，数据记录如下

I M (A) V1(mV)

V2（mV ）

V3（mV ） V4（mV ）

+Is ﹑+B +Is ﹑-B -Is ﹑-B -Is 、+B 0.300 5.19 -4.15 3.94 -5.41 4.6725 0.400 6．75 -5.72 5.50 -6.97 6．235 0.500 8.30 -7.28 7.07 -8.53 7.795 0.600 9.87 -8.85 8.64 -10.08 9.36 0.700 11.40 -10.40 10．18 -11.63 10.902 0.800

12.95

-11.95

11.73

-13.16

12.44

(mV)

4

V V V V V 4

321H -+-=