实验四-霍尔效应.doc

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1、实验四霍尔效应一.实验目的1.认识霍尔效应，理解产生霍尔效应的机理。2.测绘霍尔元件的、曲线，了解霍尔电势差与霍尔元件工作电流、磁感应强度B及励磁电流之间的关系。3.学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统。二.实验原理1．霍尔效应法测量磁场原理一块长方形金属薄片或者半导体薄片，若在某方向上通入电流IS,在其垂直方向上加一磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差VH，这个现象称为霍尔效应。VH称为霍尔电压。它们之间有如下关系：上式中，RH称为霍尔系数，d是薄片的厚度。zxye-FBFEISBd霍尔电压的产生可以用洛仑兹力来解释。如图

2、4-1所示，半导体块的厚度为d、宽度为b，各种物理量的方向如图上所示，则自由电子以平均速度v沿x轴负方向作定向运动，所受洛仑兹力为在此力的作用下自由电子向板的侧端面聚集，同时在另一个侧端面上出现同样的正电荷。这样就形成了一个沿y方向的横向电场，使自由电子同时也受到电场力FE的作用，即：7最后在平衡状态下，有：FB=FE，即evB=eVH/b，化简得到：VH=vBb（1）设块体内的载流子浓度n，则电流IS与载流子平均速v的关系为：（2）将上式代入（1）得：或者（3）其中，KH为霍尔元件的灵敏度。单位是V/(A·T)。2、霍尔电压的VH测量方法(实

3、验中的副效应)在产生霍尔效应的同时，也伴随着各种副效应，所以实验测量的VH不是真实的霍尔电压值。因为测量霍尔电压的电极A和A΄的位置难以做到在一个理想的等势面上，如图4-2所示：霍尔元件AA΄IS图4-2副效应因此，当有电流流过样品时，即使不加磁场也会产生附加电压,其中R为A和A΄的两个等势面之间的电阻，VO的符号只与电流的方向有关，与磁场的方向无关。可以通过改变IS和B的方向消除VO。除副效应VO外，还有热效应、热磁效应等，不过这些效应除个别外，均可以通过改变IS和B的方向消除。对霍尔电压VH的处理。在规定了电流和磁场的正反方向后，分别测量由

4、以下四组不同反方向的IS和B的组合的VH，即：B++−−IS+−+−VV1V2V3V4则：（4）这种测量VH的方法称为“对称测量法”，求得的VH，虽然还存在个别无法消除的副效应，7但其引入的误差很小，可以忽略不计（详见附录分析）。二.实验仪器使用说明1.仪器的组成QS-H型霍尔效应实验组合仪200mv20mvmVmAAONOFF调零VH输入IS输出IM输出IS调节IM调节图4-3仪器主机示意图本仪器由励磁恒流元IM、样品工作恒流元IS、数字电流表、数字电压表、霍尔效应实验装置等组成。仪器主机面板分布如图一所示。主机面板分布说明：（1）IM恒流源

5、在面板的右侧，红黑接线柱分别表示该电源的输入和输出。右侧的数字表显示IM的电流值。单位：安培（2）IS恒流源在面板的中侧，红黑接线柱分别表示该电源的输入和输出。中间的数字表显示IS的电流值。单位：毫安（3）VH输入在面板的左侧，红黑接线柱分别为该VH测量输入端的正负极性。左侧的数字表显示VH的电压值。单位：毫伏（4）“200mV”和“20mV”转换开关，此开关为量程转换开关。2.实验平台（1）主机上的“VH输入”、“”和“”分别对应实验平台上的“霍尔电压”、“工作电压”和“励磁电流”。注意：千万不要将IM和IS接错，否则IM电流将可能烧坏霍尔样

6、品。7（2）仪器开机之前，先将“IS调节”和“IM调节”旋钮逆时针旋到底，使IS输出和IM输出均为最小。图4-4测试平台Y方向调节螺丝霍尔元件励磁线圈VH输出IS输入IM输入X方向调节螺丝（3）仪器接通电源后，预热五分钟。将电压测量量程转换开关拨置“20mA”档，然后将电压测量输入短路，调整调零电位器使电压指示为零。（4）“IS调节”“IM调节”两旋钮分别用来控制样品的工作电流和励磁电流的大小，其电流值随旋钮顺时针方向的转动而增加，调节精度分别为“10μA”和“1mA”。（5）仪器关机之前，先将“IS调节”和“IM调节”旋钮逆时针旋到底，然后切

7、断电源。三.实验内容1.霍尔效应的输出特性测量（1）按图示连接好仪器。（2）调节霍尔效应元件探杆支架的X、Y方向的旋钮，慢慢的将霍尔效应元件移到励磁线圈的中心位置。（3）测绘VH-IS曲线取IM=0.800A，并在测量过程中保持不变。依次按照表4-1所列数据调节IS，测出相应的V1、V2、V3、V4值，记入表4-1并绘制VH-IS曲线。根据（3）式它们应该成正比。7表4-1IM=0.800AIS(mA)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)＋B,+IS＋B,-IS-B,+IS-B,-IS2.004.006.008.0010.00(4)

8、测绘VH-IM曲线取IS＝8.00mA，并在测试过程中保持不变。依次按照表4-2所列数据调节IM，测出相应的V1、V2、V3、V4值，记入表4-2并绘