华科物理实验霍尔效应实验报告

霍耳效应实验报告

学号:200702050940   实验人:张学林   同组人: 杨天海   

实验目的:

1、  观察霍耳效应;

2、  了解应用霍耳效应进行简单的相关测量的方法

实验内容:

       1、确定样品导电类型;

       2、测算霍耳系数、载流子浓度、霍耳灵敏度;

       3、测算长螺线管轴线上的磁场分布。

实验原理:

       一、关于霍耳效应

       如图一所示。当电流通过一块导体或半导体制成的薄片时,载流子会发生漂移。

       而将这种通有电流的薄片置于磁场中,并使薄片平面垂直于磁场方向。根据图一中的电流方向,并结合右手定则,我们可以看到:(1)无论导体中的载流子带正电荷还是负电荷,其受力均为Fm方向;(2)载流子均会沿X轴方向运动,并最终靠在A端。于是:(1)当载流子为正电荷时薄板A端带正电荷,导致板A端电势高于B端;(2)当载流子为负电荷时薄板A端带负电荷,导致板B端电势高于A端。

       这就是霍耳效应。

       二、关于霍耳效应性质的研究

       如图一,关于霍耳效应的相关参量已如图所示。

       其中载流子所受的磁场力

                                                                       (1)

       载流子所受的电场力

                                                                          (2)

       当其所受磁场力与电场力受力平衡时:

       有关系,                                                  (3)

       且有,                                           (4)

       我们又知道,               (5)

       于是,由(1)~(3)可知

                                                                        (6)

       再结合(4)式可得                   (7)

       令                                                                  (8)

为霍耳系数,并代入(7)式可得

                                                                            (9)

       那么,霍耳系数又可表示为                       (10)

       即,                                                  (11)

三、关于霍耳效应的应用

       1、利用霍耳效应确定导体的类型

由(11)式可得,导体横向电势差与导体中载流子类型有关:当为正时载流子为电子,导体为P型半导体;反之,载流子为空穴,导体为N型半导体。

       2、利用霍耳效应计算霍耳系数

       根据(9)式,可以固定B、b,改变I得到UH,多测几组U—I值。然后根据几组U—I值在直角坐标系中描点,可根据拟合出来的直线的斜率求出霍耳系数。

3、  霍耳灵敏度的计算

若将(7)式中的括号以内的项定义为霍耳灵敏度,即令。于是,(二、2)中的霍耳系数计算出来,霍耳灵敏度也就计算出来了。

4、利用霍耳效应计算载流子浓度

由(7)、(11)式可得

       于是,载流子浓度的计算可以利用(二、2)中计算出来的霍耳系数来得到

       5、利用霍耳效应测定长螺线管轴线上的磁场分布

由于,并结合(7)式可得。当KH确定时,我们可以通过测量对应的UH—I值来测算相应的磁场强度B的值。

实验步骤:

      

      

一、确定导体类型

       1、依图二连接电路;

       2、调节恒流电源HI,使电流为10mA;

       3、观察电压表所指示的电压的极性,记录并判断霍耳片的导电类型。

二、测霍耳片对应的U—I值

       1、调节HI,记录恒定电流值的大小,读出                                                               电                  压表的示数并记录;

    2、调节HI,改变恒定电流值大小7次,重                                                            复                          上述测量并记录。形成8组数据。

       三、测长螺线管轴线上的磁场分布

       1、测量螺线管全长l并记录数据;

2、移动附有霍耳片的标尺,使图二中的霍耳片伸入图三中的螺线管中的X(如图四所示)处,读数并记录X的大小;

       3、闭合开关S0、S1、S2于某一端,使图二与图三所示电路中的电流均沿各图所示方 向;

       4、调节HI0与HI得恒定电流值IM=0.2A、IS=2.00mA;

       5、读出图二电路中电压表与电流表的读数并记录入表;

       6、改变IM、IS的方向三次,形成四组数据并记录;

       7、移动附有霍耳片的标尺,改变霍耳片的位置11次,重复上述测量并记录数据。形成12组数据。

注意事项:

       1、注意(一、2,二、2,三、4)步中调节电流时,不要超过霍耳片的额定电流值;

       2、注意表上的接线柱及开关S0、S1、S2不要弄错;

       3、在实验步骤(三、6)中在磁场变化大的地方要多选几个点。

       4、为了防止电磁铁过热,数据记录时,要断开开关S0

实验数据的记录:

霍耳片对应U—I

表一

螺线管电磁感应强度

表二      IM=0.2A    IS=2.00mA

数据处理

对表二数据处理

由上面数据作图对表一数据处理=0.6   做出曲线

有表一IS不变时(=10)  可作出

根据表二   作出—x曲线

实验结论:

(1)       载流子为电子霍尔系数为负,则,反之载流子为空穴(正电荷),霍尔系数为正,根据霍尔系数RH的正负,可以判别导体导电类型,N型样品RH﹤0,P型样品RH﹥0

(2)       霍尔电势差U与载流子浓度n成正比,材料的载流子浓度n越大,霍尔电势差越小。

(3)       在测量霍尔电势差时,不可避免产生一些负效应,如部件发热等,形成测量中的系统误差

(4)       在一定范围内铜一组实验n,RH,KH

 

第二篇:霍尔效应实验报告

实验报告

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实验题目: 通过霍尔效应测量磁场

实验目的: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

实验内容:

已知参数:b=4.0mm,   d=0.5mm,    =3.0mm.

          设,其中K=6200GS/A;

1.保持=0.450A不变,测绘曲线

  测量当正(反)向时, 正向和反向时的值,如下表

  做出曲线如下

  由origin得

  由

      

2.保持=4.50mA不变,测绘曲线

  测量当正(反)向时, 正向和反向时的值,如下表

  做出曲线如下

 

由origin得

  由

     

3.在零磁场下,取=0.1mA,在正向和反向时,测量

   的绝对值平均值为    =8.705mV

4.确定样品的导电类型,并求、n、σ和μ

(1)确定样品的导电类型

         控制电流和磁场方向如图所示时,电压表读数为正.可知薄片S的上表面积累正电荷,下表面积累负电荷.再根据洛沦兹力的受力规则判断,载流子受力向下,再由下表面积累负电荷知,载流子为负电荷.所以导电类型为n型.

(2)求

   由1和2知,  

(3)求n

   由得    

(4)求σ

   由得  

(5)求μ

   由得   

实验分析:

   本实验采用数字仪表控制,所以相当精确.

思考题:

(1)若磁场不恰好与霍尔元件的法线一致,对测量结果会有何影响?如何用实验的方法判断B与法线方向是否一致?

若磁场不恰好与霍尔元件的法线一致,则霍尔片通过电流时,载流子的偏转方向就会偏离法线方向,从而使测得的电位差不是真正的霍尔电位差,从而造成测量的系统误差.

朝两个方向偏转霍尔元件的方向,如果电位差都减小,说明B与法线方向一致。

(2)若霍尔元件片的几何尺寸为4mm6mm,即控制电流两端距离为6mm,而电压两端距离为4mm,问此霍尔元件能否测量面积为5mm5mm的气隙的磁场?

可以.因为此时两个霍尔片电极都在磁场中,所以载流子仍可以偏转、积累,产生电位差.

(3)能否用霍尔元件片测量交变磁场?

可以.因为霍尔效应建立的时间极短,使用交流磁场时,所得的霍尔电压也是交变的,此时B和V应理解为有效值.

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