霍尔效应实验报告-霍尔效应仿真实验报告.docx

大学本(专)科实验报告课程名称:姓 名:学 院:系:专 业:年 级:学 号:指导教师:成 绩:年 月 日1(实验报告目录)实验名称一、实验目的和要求二、实验原理三、主要实验仪器四、实验内容及实验数据记录五、实验数据处理与分析六、质疑、:1 、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数 .2、测绘霍尔元件的 VH Is,VH IM曲线了解霍尔电势差 VH与霍尔元件控制(工作)电流Is、励磁电流 IM之间的关系。3、学****利用霍尔效应测量磁感应强度 B及磁场分布。4、判断霍尔元件载流子的类型,并计算其浓度和迁移率。、学****用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。:1、霍尔效应霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应,z从本质上讲,霍尔效应是运动的带电Y粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引xB起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)A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lfEVH负电荷在不同侧的聚积,从而形成附IS加的横向电场。fL如右图(1)所示,磁场B位于ZdB的正向,与之垂直的半导体薄片上沿LX正向通以电流Is(称为控制电流或图1工作电流),假设载流子为电子(N型半导体材料),它沿着与电流Is相反的X负向运动。由于洛伦兹力fL的作用,电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转,并使B侧形成电子积累,而相对的A侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力fE的作用。随着电荷积累量的增加,fE增大,当两力大小相等(方向相反)时,fL=-fE,则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之间建立的电场称为霍尔电场EH,相应的电势差称为霍尔电压VH。设电子按均一速度V向图示的X负方向运动,在磁场B作用下,所受洛伦兹力为fL=-eVB式中e为电子电量,V为电子漂移平均速度,B为磁感应强度。同时,电场作用于电子的力为fEeEHeVH/l式中EH为霍尔电场强度,VH为霍尔电压,l为霍尔元件宽度3Bcos都不大,因此不适宜作霍尔元件。此当达到动态平衡时,fLfEVBVH/l(1)设霍尔元件宽度为l,厚度为d,载流子浓度为n,则霍尔元件的控制(工作)电流为IsneVld(2)由(1),(2)两式可得1IsBIsB(3)VHEHlnedRHd即霍尔电压VH(A、B间电压)与Is、B的乘积成正比,与霍尔元件的厚度成反比,比例系数RH1称为霍尔系数,它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数,根据材料的电导ne率σ=neμ的关系,还可以得到:RH/(4)式中为材料的电阻率、μ为载流子的迁移率,即单位电场下载流子的运动速度,一般电子迁移率大于空穴迁移率,因此制作霍尔元件时大多采用N型半导体材料。当霍尔元件的材料和厚度确定时,设KHRH/d1/ned(5)将式(5)代入式(3)中得VHKHIsB(6)式中KH称为元件的灵敏度,它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍尔电势大小,其单位是[mV/mAT],一般要求KH愈大愈好。若需测量霍尔元件中载流子迁移率μ,则有V V L(7)EI VI(2)式、(5)式、(7)式联立求得LISKH(8)lVI其中VI为垂直于 IS方向的霍尔元件两侧面之间的电势差,分别为霍尔元件长度和宽度。由于金属的电子浓度n很高,所以它的RH或KH外元件厚度d愈薄,KH愈高,所以制作时,往往采用减少认为d愈薄愈好,因为此时元件的输入和输出电阻将会增加,这对锗元件是不希望的。应当注意,当磁感应强度B和元件平面法线成一角度时(如图2),作用在元件上的有效磁场是其法线方向上的分量 ,此时EI为由VI产生的电场强度,L、的办法来增加灵敏度,但不能θI VHVHKHIsBcos(9)所以一般在使用时应调整元件两平面方位,使VH达到最大,即θ=0,图(2)VH=KHIsBcosKHIsB由式(9)可知,当控制(工作)电流Is或磁感应强度B,两者之一改变方向时,霍尔4电压VH的方向随之改变;若两者方向同时改变,则霍尔电压VH极性不变。霍尔元件测量磁场的基本电路如图 3,将霍尔元件置于待测磁场的相应位置,并使元件平面与磁感Hmv VH应强度B垂直,在其控制端输入恒定的工作电流Is,Is霍尔元件的霍尔电压输出端接毫伏表,测量霍尔电势VH的值。:图(3)1、ZKY-HS霍尔效应实验仪包括电磁铁、二维移动标尺、三个换向闸刀开关、霍尔元件及引线。2、KY-:、研究霍尔效应及霍尔元件特性测量霍尔元件灵敏度KH,计算载流子浓度n(选做)。②测定霍尔元件的载流子迁移率μ。③判定霍尔元件半导体类型(P型或N型)或者反推磁感应强度B的方向。④研究VH与励磁电流IM、工作(控制)电流IS之间的