霍尔效应实验报告-霍尔效应仿真实验报告.doc

霍尔效应实验报告-霍尔效应仿真实验报告.doc大学
本（专）科实验报告
课程名称：
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年 月 日
（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、建议
霍尔效应实验
■.实验目的和要求：
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lM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。
5 、学****用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。
.实验原理:
1、霍尔效应
d
z
图1
VH
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， 从本质上讲，霍尔效应是运动的带电 粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引 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 负电荷在不同侧的聚积，从而形成附 加的横向电场。
如右图（1）所示，磁场B位于Z 的正向，与之垂直的半导体薄片上沿 X正向通以电流I s （称为控制电流或 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 =- eV B
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 fE = -eEH = -eVH /1
式中Eh为霍尔电场强度， VH为霍尔电压，I为霍尔元件宽度
当达到动态平衡时， h = _fE VB =VH /I （1）
设霍尔元件宽度为I，厚度为d,载流子浓度为 n则霍尔元件的控制（工作）电流为
Is = neVId
由（1），（ 2）两式可得
VH = EhI 1 空二 Rh 仝
ne d d
(3)
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
1
例系数Rh 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d =ne 的关系，还可以得到：
(4)
N型半导体材料。
式中为材料的电阻率、卩为载流子的迁移率，即 单位电场下载流子的运动速度, 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
当霍尔元件的材料和厚度确定时，设 Kh = Rh / d = 1/ned （5）
将式（5）代入式（3）中得 VH =KHlsB （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/mA T］，一般要求KH愈大愈好。
若需测量霍尔元件中载流子迁移率 卩,则有
Ei Vi
将⑵式、
（5）式、（7）式联立求得
L Js
l Vi
其中Vi为垂直于I s方向的霍尔元件两侧面之间的电势差,
（8）
El为由V产生的电场强度，L、
图⑵
l分别为霍尔元件长度和宽度。
由于金属的电子浓度 n很咼，所以它的Rh或Kh都不大，因此不适宜作霍尔元件。此 外元件厚度d愈薄，Kh愈高，所以制作时，往往采用减少 d的办法来增加灵敏度，但不能
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 Bcosr，此时
Vh =Kh IsBcos日 （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B =0 ,
Vh =心暑如二心强
由式（9）可知，当控制（工作）电流 |s或磁感应强度 B,两者之一改变方向时，霍尔
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