物理实验霍尔效应与应用

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1、实验4.5霍尔效应与应用设计1879年，年仅24岁的霍尔在导师罗兰教授的支持下，设计了一个根据运动载流子在外磁场中的偏转来确定在导体或半导体中占主导地位的载流子类型的实验，霍尔的发现在当吋震动了科学界，这种效应被称为崔尔效应。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。通过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科的杂质电离能和材料的禁带宽度。如今常规霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和

2、信息处理等各个研究领域。该实验要求学生了解霍尔效应的基本原理、霍尔元件的基本结构，测试霍尔元件特性的方法，并对测量结果给出正确分析和结论。鼓励学牛运用霍尔效应的基本原理和霍尔元件的特性，设计一些测量磁场，或各种非磁性和非电性物理量的测量的实验方案，例如：磁场分布、位置、位移、角度、角速度等。让学生更好的运用隼尔效应來解决一些实际问题。一、预备问题1.霍尔效应在基础研究和应用研究方血有什么价值？2.如何利用实验室提供的仪器测量半导体材料的霍尔系数？3.怎样判断隼尔元件载流了的类型，计算载流了的浓度和迁移速率？4.伴随霍尔效应冇那些

3、副效应？如何消除？5.如《'I利用霍尔效应和元件测量磁场？6.如何利用霍尔元件进行非电磁的物理量的测量？7.若磁场的法线不恰好与霍尔元件片的法线一致，对测量结果会有何影响？如何用实验的方法判断B与元件法线是否一致？8.能否用霍尔元件片测屋交变磁场？二、引言霍尔效应发现一百多年来，在基础和应用研究范围不断扩展壮人，反常霍尔效应、整数霍尔效应、分数霍尔效应、自旋霍尔效应和轨道霍尔效应等相继被发现，并构成了一个庞人的霍尔效应家族。1985年克利青、多尔达和派波尔因发现整数量了雀尔效应，荣获诺贝尔奖；1998年诺贝尔物学理奖授予苏克林、

4、施特默和崔琦，以表彰他们发现了分数量了霍尔效应。自旋霍尔效应是冃前凝聚态领域中一个相当热门的研究方向。（反映霍尔效应家族中最新硏究进展的论文和资料详见配套光盘）。用霍尔效应制备的各种传感器件，已广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理等各个方面，霍尔器件作为一种磁传感器。不仅可以川來直接检测磁场及具变化，还可丿IJ人为设置的磁场，川这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它进行各种非磁性和电性物理量的测量，例如：力、力矩、压丿J、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进

5、行检测和控制（详见配套光盘中各种霍尔传感器和应用案例分析）。霍尔元件或各种霍尔传感器的工作基础是霍尔效应。霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场屮受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料屮，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Eh。对于图1所示的半导体试样，若在X方向通以电流Is,在Z方向加磁场B,则在Y方向即试样A,A'两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场（可参阅配套光盘中动画演示）。电场的指向取决丁•试样的导电类型。图4.5-1.霍尔效应原理示意

6、图，a）为N型（电子）b）为P型（孔穴）对图4.5—1（a）所不的N型试样，霍尔电场Eh朝下，图4.5—1（b）所示的1）型试样Eh朝上。显然，该电场是阻止载流子继续向侧而偏移，当载流子所受的横向电场力fe=eEH与洛仑兹力fm=evB相等时,样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有eEH=evB（4.5—1）其中Eh称为霍尔电场，G是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽度为b,厚度为d,载流子浓度为m则Is=nevbd（4.5—2）由（4.5—1）、（4.5—2）两式可得：VH—Eh•b=—•厶B=R”厶B（45—3）ned

7、d即霍尔电压Vh（点A与A‘之间的电压）与Is・B乘积成正比与试样厚度d成反比。比例系数=丄称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重耍参数，只耍测出Vh（伏）以及知道1（安）、hneB（高斯）和d（厘米）可按下式计算Rh（厘米*库仑）Rh=^-^x108（4.5-4）IsB上式中的108是由于磁场强度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。根据上述可知，要得到人的霍尔电压，关键是要选择隼尔系数人（即迁移率高，电阻率P亦较高）的材料。因二PP，就金属导体而言，

8、1和P均很低，而不良导体P虽高，但卩极小；因而

9、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A高，P适屮，是制造霍尔元件较理想的材料。由于电子的迁移率比空穴迁移率大，所以霍尔元件多采用N型材料，具次霍尔电压的人小与材料的厚度成反比，因此薄膜犁的崔尔器件的输出电压鮫片状要高得多（崔尔器件的参数和特性