霍尔效应

如果置于磁场中的载流体的电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生一附加的横向电场，称霍尔效应。如今霍尔效应不但是测量电学材料电学参量的主要手段，而且应用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。

二、实验目的：

1.   了解霍尔效应的实验原理以及有关霍尔器件对材料的要求。

2.   学习用“对称测量法”消除负影响，测量试样的VH－IS曲线和VH－IM曲线。

3.   确定样品的导电类型、载流子浓度及迁移率。

三、实验原理：

霍尔效应从本质上讲运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用，产生偏转而引起材料表面电势不同。

对于图中所示的半导体试样，若在X方向通以电流Is在z方向上加以磁场B则在Y方向即试样AA`电极两侧开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场。电场指向取决于试样的导电类型。显然，该电场阻止载流子继续向侧面偏移。 当载流子受横向电场力－eEH与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有：

                                                    （1）

其中EH为霍尔电场，V是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

设试样的宽为b，厚度为d载流子浓度为n，则

Is＝nevbd                                           （2）

由（1）、（2）两式可得：

VH＝EHb＝                          （3）                                  

比例系数称为霍尔系数，它是反映霍尔效应强弱的重要参数，只要测出VH以及知道IS B和d可用下列计算：

霍尔系数：8 

载流子浓度：

迁移率：

电导率：

由VH的符号判断样品的导电类型：

判断的方法是按图一所示的电流和磁场的方向，若测得的VH 的值是正值，样品属N型，否则，为P型。

判断时一定要注意到电流、磁场和霍尔电压的值必同时为正时才成立。 

霍尔器件对材料的要求：

要得到大的霍尔电压关键是选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率低。半导体迁移率高电阻率适中是制造霍尔元件较理想的材料。由于电子迁移率比空穴迁移率大，所以霍尔元件多采用N型材料。其次，霍尔电压大小与材料的厚度成反比，因此，薄型的霍尔器件输出电压较片状要高得的多。

四、实验方法：

1.对称测量法：

在产生霍尔效应同时产生各种负效应，如爱庭好森效应、里纪－杜勒克效应和制作工艺（不等势电压降）产生的误差，均可以通过改变输入电流和磁场的方向加以消除，在规定了电流和磁场正反方向后分别测量由下列四组不同方向的电流和磁场的组合的VAA`即

＋B ＋IS        VAA`＝V1              －B   ＋IS       VAA`＝－V2

－B  －IS       VAA`＝V3        ＋B  －IS    VAA`＝－V4

求V1 V2 V3 V4代数平均值

VH＝

电导率的测量：

设A、C间的距离为L。样品横截面积为S=bd流经样品电流为IS在零磁场下若测行A、C间的电位差可求得

五、实验内容：

1.保持IM值不变IM＝0.9A测绘VH－IS曲线：

2.保持IS值不变IS＝1.8mV测绘VH－IM曲线：

3.在零磁场下，取IS＝0.25mA测VAC（）。

4.确定样品的导电类型，并求RH、n。和。

六、注意事项：

1.不要将引线接错，易损坏半导体材料。

2.接线时注意IS 、IM和线的正负极，易判定电流方向、磁场方向和VH的正负。

3.注意记录下所用仪器线圈特性和材料尺度。

4.材料的尺度：b＝4mm     d＝0.5mm、     l＝4mm、

   线圈特性：＝（）      （括号中的数值由实验仪线圈上的标号读出来）

七、预习抽查问题：

1.实验的目的是什么？

2.由右手定则确定N 型样品的VH的正负。

3.采用对称测量法的目的？

4.霍尔器件对材料要求？

5.霍尔效应实质。

八、实验报告的要求：

1.实验名称

2.实验仪器

3.实验目的

4.实验原理及所采用的实验方法

5.实验内容

6.数据处理

九、附TH333实验数据：

1.保持IM值不变IM＝0.9A测绘VH－IS曲线：

     

2. 保持IS值不变IS＝1.8mV测绘VH－IM曲线：

 

第二篇：大学物理实验霍尔效应

霍尔效应（Hall Effect）

霍尔效应是1879年由年仅24岁，尚在读研究生的霍尔在研究载流导体在磁场中的受力性质时发现的，它被广泛应用于科学和工程技术研究中对磁场、功率以及位移等参数的测量。由于半导体中的霍尔效应比金属导体要强的多，随着半导体工业的发展，霍尔效应被越来越多地用来确定半导体材料的导电类型、载流子浓度以及禁带宽度等参数。近年来，霍尔效应又得到了重大发展，冯·克利青在极强磁场和极低温度下发现了量子霍尔效应，它的应用大大提高了有关基本常数的准确性，冯也因此获得了诺贝尔物理学奖。

一、实验原理

在一块长方形金属薄片或半导体薄片的某一方向上通电流  ，在其垂直方向加磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差  ，这就是霍尔效应，  称为霍尔电压。

霍尔效应可用洛伦磁力来解释，如图1所示的半导体薄片（霍尔片）位于磁场B中，电流  沿X轴正方向通过半导体薄片，设薄片中的载流子（自由电子）以平均速度  沿X轴负方向运动，则电子受洛伦磁力为  ，自由电子受力发生偏转，在面Ⅰ上积聚，同时在面Ⅱ上积聚同样数量的正电荷，这样沿Y方向形成一电场，电场形成的电场力  将阻碍电荷的继续积聚，设电场强度为E，则  ，当电场力和洛伦磁力相等时达到稳定状态，即： ，有  。根据电流强度的定义有  ，代入上式有：  ,这就是霍尔电压的计算公式。记其中  为霍尔系数，  为霍尔元件灵敏度。由此可知，霍尔电压和磁感应强度以及电流强度成正比，和元件厚度成反比,为了提高霍尔元件的灵敏度，一般霍尔元件的厚度都在0.2  左右。

  二、实验仪器

TH-S型螺线管磁场实验仪、测试仪

三、实验内容及步骤

1，  正确连接线路，对电源进行调零、校准；

2，  确定励磁电流的大小，改变霍尔元件工作电流的大小，测绘工作电流和霍尔电压的关系曲线；

3，  确定工作电流大小，改变励磁电流的大小，测绘励磁电流和霍尔电压的关系曲线；

4，  确定工作电流和励磁电流的大小，测绘并计算螺线管轴线上磁感应强度分布曲线；

5，  掌握采用对称测量法（改变磁场和工作电流的方向）来消除测量中的副效应（如不等位效应、埃廷豪森效应等）的方法。

本实验旨在加深学生对霍尔效应的理解，掌握用霍尔元件测量磁场的原理及方法，领会用对称测量法来消除实验误差的思想，通过连接线路、测量数据、绘制曲线，培养学生的动手能力及一丝不苟的工作态度，启发学生对实验手段和测试方法的思考，锻炼其创新精神。