物理实验1 霍尔效应原理实验报告

霍尔效应实验报告

一、实验目的与要求

1．了解产生霍尔效应的物理过程及其测量磁场的原理和方法；

2．验证霍尔电流与霍尔电压的线性关系；

3．测定励磁电流与霍尔电压线性关系的范围.

二、实验仪器和用具

LH-A型霍尔效应实验仪器一台、HF-CF型测试仪一台、导线若干.

三、实验原理及内容和方法

1. 实验原理：

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦磁力的作用引起的偏转。将半导体置于图1所示的电场中。半导体长度为，宽度为，厚度为，外磁场沿z轴方向，若半导体中通有电流，沿x轴方向，垂直于，则现在和方向，即沿y方向，出现一个横向电位差，这一现象称霍尔效应，其横向电压称霍尔电压.

设有横向均匀磁场作用在一束以速度为的电子流上，运动电荷受到洛伦磁力为：

………………………………………………………... (1)

其方向沿y轴负方向，造成电子流发生偏转，被推向半导体的下侧（M面），在M上形成负电荷积累，而相对上侧（N面）形成正电荷积累，使M,N面之间建立了电场，其方向沿y轴方向，两侧的霍尔电压；

电子在霍尔电场中受到一个静电场力：

………………………………………………………….. (2)

沿y轴正方向，它将阻碍电子相M面积聚。随着电荷的增加，电场不断增强，直到达到平衡，这时候有：

………………………………………………………..….. (3)

设半导体薄片中电子浓度为，则有：

所以霍尔电压为：

………………………...…….. (4)

式中，称为霍尔系数，它取决于材料的性质，是反映材料霍尔效应的重要参数可以知道；称为霍尔灵敏度，它取决于材料性质和几何尺寸，对于霍尔片来说是个常数，单位为.

对于选定的霍尔片，保持通过它的工作电流值不变，霍尔电压与被测的电磁感应强度成正比：

………………………………………………………......... (5)

2. 实验内容和方法

(1) 测绘曲线，保持不变，调节霍尔元件位置使电压表值最大，调节并依次改变励磁电流和霍尔电流的方向，将霍尔电压记录在表中。

(2) 测绘曲线，保持不变，调节霍尔元件位置使电压表值最大，调节并依次改变励磁电流和霍尔电流的方向，将霍尔电压记录在表中。

四、误差来源及分析

1．误差来源：（1）电热和温差带来的附加电压。（2）由于霍尔片表面不均匀，使电极位置不匀称，造成不等势电压。

2．分析：采用换测法消除不等势电压。取电流和磁场的四种状态分别测电压得。求这四个电压绝对值的平均值即：.

五、数据处理分析及结果

1．测绘曲线，保持不变，在表格中记录霍尔电压。

用最小二乘法可知关联系数

2．测绘曲线，保持不变，在表格中记录霍尔电压。

用最小二乘法可知关联系数

第二篇：霍尔效应测磁管磁场强度物理实验

霍尔效应测量通电螺线管内部磁场

〖实验目的〗

1. 了解霍尔效应现象，掌握其测量磁场的原理。

2. 学会用霍尔效应测量长直通电螺线管轴向磁场分布的方法。

〖实验原理〗

1.霍尔效应

霍尔元件作用如图所示。若电流I流过厚度为d的半导体薄片，且磁场B垂直作用于该半导体，则电子流方向由于洛伦兹力作用而发生改变，该现象称为“霍尔效应”，在薄片两个横向面a和b之间与电流I，磁场B垂直方向产生的电势差称为“霍尔电势差”。

霍尔电势差是这样产生的：当电流I_H通过霍尔元件(假设为P型)时，空穴有一定的漂移速度v，垂直磁场对运动电荷产生洛伦兹力

F_B=q（v*B ）（1）

式中q为电子电荷，洛伦兹力是电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以偏转的载流子将在边界累积起来，产生一个横向电场E，直到电场对载流子的作用力F_E=qE与磁场作用的洛仑兹力相抵消为止，即

q(v*B)=qE (2)

这时电荷在样品中流动时不再偏转，霍尔电势差就是由这个电场建立起来的。

如果是N型样品，则横向电场与前者相反，所以N型样品和P型样品的霍尔电势差有不同的符号，据此可以判断霍尔元件的导电类型。

设P型样品的载流子浓度为P，宽度为w,厚度为d，通过样品电流I_H=Pqvwd，则空穴速度，v=I_H/Pqvwd,代入(2)式有

E=|v*B|=I_HB/Pqvwd （3）

上式两边各乘以w,便得到

U_H=Ew=I_HB/Pqd=R_HI_HB/d (4)

其中，R_H=1/Pq为霍尔系数，在应用中一般写成

U_H=K_HI_HB (5)

比例系数K_H=R_H/d=1/Pdq称为“霍尔元件灵敏度”，单位为mV/(mA·T)。一般要求K_H愈大越好。K_H与载流子浓度P成反比，半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小，所以都用半导体材料作为霍尔元件，K_H与材料片厚度d成反比，因此霍尔元件都很薄，一般只有0.2mm厚。

由式（5）可以看出，知道了霍尔片的灵敏度K_H，只要分别测出霍尔电流I_H及霍尔电势差U_H就可以算出磁场B的大小，这就是霍尔效应测量磁场的原理。

因此，根据霍尔电流I_H和磁场B的方向，实验测出霍尔电压的正负，由此确定霍尔系数的正负，即判定载流子的正负，是研究半导体材料的重要方法。对于n型半导体霍尔元件，则导电载流子为电子，霍尔系数和灵敏度为负；反之，对于是P型半导体的霍尔元件，泽导电载流子为空穴，霍尔系数和灵敏度为正。

2.霍尔元件的副效应及消除副效应的方法

一般霍尔元件有四根引线，两根为输入霍尔元件电流的“电流输入端”，接在可调的电源回路内；另两根为霍尔元件的“霍尔电压输出端”，接到数字电压表上。虽然从理论上霍尔元件在无磁场作用时（B=0），U_H=0，但是实际情况用数字电压表测并不为零，该电势差称为“剩余电压”。这是半导体材料电极不对称、结晶不均匀及热磁效应等引起的电势差。具体如下：

1.不等势电压降U₀

霍尔元件在不加磁场的情况下通以电流，理论上霍尔片的两引线间应不存在电势差。实际上由于霍尔片本身不均匀，性能上稍有差异，加上霍尔片两电压引线不在同一等位面上，因此即使不加磁场，只要霍尔片上通以电流，则两电压引线间就有一个电势差U₀。U₀的方向与电流的方向有关，与磁场的方向无关。U₀的大小和霍尔电势U_H同数量级或更大，在所有附加电势居首位。

2.爱廷豪森效应。

3能斯托效应。

4、里纪—勒杜克效应

上述热扩散的载流子的迁移速率不尽相同，在霍尔元件放入磁场后，电压引线间同样会出现温度梯度，从而引起附加电势U_RL. 。U_RL的方向与磁场的方向有关，与电流方向无关。

实际测量时，为了消除附效应的影响，分别改变I_H的方向和B的方向，几下四组电势差数据(K1、K2换向开关向上为正）。

当I_H正向、B正向时 U1=U_H+U₀+U_E+U_N+U_RL

当I_H负向、B正向时 U₂=—U_H—U₀—U_E+U_N+U_RL

当I_H负向、B负向时 U₃=U_H—U₀+U_E—U_N—U_RL

当I_H正向、B正向时 U₄=—U_H+U₀—U_E—U_N—U_RL

做运算时U₁—U₂+U₃—U₄,并取平均值，得

(U₁—U₂+U₃—U₄)=UH+UE