霍尔效应实验报告

霍尔效应—材料电传导特性测量

一．实验目的

详见预习报告

二. 实验原理

详见预习报告

三．实验步骤与数据记录

仪器型号： DHD8012型程控换相电源 CVM-2000型电输运性质测试仪

1．按实验装置图检查测试系统各组件和连线；

2. 打开电特性测试仪开关，预热半小时；打开励磁电源开关，预热半小时；并将励磁电源设置为自动扫描；

3. 测量电磁铁的磁场与励磁电流的关系

（1）将恒流源的电流端和微伏表上的霍尔电压测试端与霍尔元件上的相应端点连接。设置恒流源的输出电流I_S分别为3mA,2mA,1mA,然后将励磁电流I_m通过计算机调整到5A，按步长0.5A将电流减小到0，换向后反方向增加到-5A。测出每一点霍尔器件输出的霍尔电压；

（2）由公式, 计算不同励磁电流对应的磁场值，并绘出B—I_m曲线（霍尔元件的性能参数）；

（3）所记录的数据如下表：

表1.测量磁场电流与电磁铁磁场的关系

图1.励磁电流Im与磁场B关系图

用MATLAB拟合曲线得关系式为B = -946.6*Im -250;

R-square:1; Adjusted R-square:1; RMSE:9.768

4. 测量半导体样品的电阻率、霍尔系数，确定半导体样品中的载流子浓度和迁移率

锑化铟样品薄膜厚度d=0.47mm

（1）样品电阻率的测量：不加磁场而通以正电流，给AB和AD通以恒定电流I，测量V_DC（+I）和V_BC（+I）；改变电流方向测量V_DC（-I）和V_BC（-I）；由上述数据，据式可获得半导体样品的平均电阻率ρ；

所记录数据如下：

①I从A→B (V₁)，I=10mA，测得V_DC = 0.122mV; I=-10mA,测得V_DC’= -0.112mV；

②I从A→D (V₂)，I=10mA，测得V_BC = 0.129mV; I=-10mA,测得V_BC’= -0.119mV；

① , （用MATLAB计算), ₁2.64*

② , （用MATLAB计算）, ₂2.64*

(2)霍尔电压的测量：固定磁场大小（通过调节励磁电流大小，并考虑电磁铁磁芯的剩磁），选取恒流源电流的大小，分别改变电流和磁场的方向，利用得到所用半导体样品的霍尔电压值，求出霍尔系数；在此基础上，改变恒流电源电流大小，测量5个点，取平均值。

所记录数据如下：

Im = 4.500A

表2. 恒流源电流与霍尔电压关系表

由关系式B = - 946.6*Im -250知，当Im = 4.500A时，B = -4509.7Gs; d=0.47mm

R_B平均值 = 1.397*10^-8 m³/c

判断得出载流子为负电荷；

，q=1.602*10^-19c, n = 4.468*10²⁶m^-3，即为载流子浓度；

5．测量铁磁金属薄膜材料的反常霍尔效应；在此基础上，得到该铁磁导体样品的矫顽力

（1）把铁磁薄膜材料样品连好，打开电脑，执行程序HALL.exe；

（2）计算机将完成数据的采集工作，并将所测铁磁性薄膜样品的磁滞回线画出。根据所测样品的磁滞回线，判断其磁各向异性方向并计算出材料的矫顽力；

所测数据用ORIGIN画出的图形如下：

图2.磁性薄膜的反常霍尔效应曲线

先画一条直线H=0，与磁滞回线相交于两点，求出这两点纵坐标的中点M_o; 画出M = M_o，与磁滞回线相交于H₁和H₂，两者绝对值取平均，就是矫顽力。最后求得其矫顽力3710Gs，磁化方向垂直膜面。

四．实验分析与讨论

1.电流较小，观察到磁场电流绝对值相同时，在同一励磁电流下，正向磁场电流比反向磁场电流对应的磁场绝对值大，为电磁铁铁芯存在剩磁的缘故；

2.测量霍尔电压时采用，用此方法可以消除除了爱廷豪森效应以外的其他几个附加电势差—能斯特效应、里纪勒杜克效应等，因为爱森豪廷效应所引起的误差约为5%，所以可以认为上述结果就是霍尔电压。实验中，第二步和第三步改变电流方向时，测量动作要快，由帕尔帖效应引起的温度梯度来不及改变方向时就应测量完毕，这样热流方向就不会变化，能斯特效应和里纪勒杜克效应就只取决于磁场；

3. 用计算机扫描样品的磁滞回线时，初次使用时扫描范围应大一些，步长也大一些，这样可以在较短时间内看出磁滞回线的大致轮廓，而后调整扫描范围，缩短步长，直到得到较为理想的曲线；

4. 测量铁磁金属薄膜材料的反常霍尔效应的实验中，在一开始我们测出的曲线十分异常，推测为样品与仪器接口接触不良或样品有损坏等原因造成。在重新安装样品确认所有接口都正常接触的情况下曲线仍然异常（无法闭合），故肯定为样品损坏致使其无法体现反常霍尔效应；更换样品后这一现象消失。

五．实验小结

1.电磁铁的磁场与励磁电流的关系：B = -946.6 * Im -250，呈线性；

2.半导体样品的电阻率ρ=2.64*；

3. 所测样品载流子为负电荷，霍尔系数R_B = 1.397*10^-8 m³/c；载流子浓度n =

4.468*10²⁶m^-3；

4.铁磁导体样品的矫顽力=3710Gs。

参考文献

《光电信息科学与技术专业实验讲义》复旦大学光科学与工程系 20##年8月