霍尔效应测磁场-实验报告

创建人：系统管理员 总分：100

实验目的

通过用霍尔元件测量磁场，判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，以与了解霍尔效应测试中的各种副效应与消除方法。

实验仪器

QS-H霍尔效应组合仪，小磁针，测试仪。霍尔效应组合仪包括电磁铁，霍尔样品和样品架，换向开关和接线柱，如下图所示：

测试仪由励磁恒流源IM，样品工作恒流源IS，数字电流表，数字毫伏表等组成，仪器面板如下图：

实验原理

1、通过霍尔效应测量磁场霍尔效应装置如图所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向)，当沿y方向的电极A、A上施加电流I时，薄片内定向移动的载流子(设平均速率为u)受到洛伦兹力FBquB的作用。

'

图1.霍尔效应装置图

无论载流子是负电荷还是正电荷，FB的方向均沿着x方向，在磁力的作用下，载流子发生偏移，产生电荷积累，从而在薄片B、B'两侧产生一个电位差VBB',形成一个电场E。电场使载流子又受到一个与

方向相反的电场力FEqEqVBB'/b。其中b为薄片宽度，FE'随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时FEFB，即qUBqVBB'/b这时在B、B两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压称为霍尔电压，电极B、B称为霍尔电极。另一方

'面，射载流子浓度为n,薄片厚度为d,则电流强度I与u的关系为：

它体现了材料的霍尔效应大小。根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。RH称为霍尔系数，

在应用中VBB'KHIB，式中若I、KH已知，只要测出霍尔电压VBB'，即可算出磁场B的大小；并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子，P型半导体多数载流子为空穴),则由VBB'的正负可测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。2、霍尔效应实验中的副效应（1）爱延豪森效应这种效应建立需要一定时间，如果采用直流电测量时会因此而给霍尔电压测量带来误差，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延豪森效应来不与建立，可以减小测量误差。（2）不等位电动势引起的误差这是因为霍尔电极B、B'不可能绝对对称焊在霍尔片两侧产生的。由于目前生产工艺水平较高，不等位电动势很小，故一般可以忽略，也可以用一个电位器加以平衡。我们可以通过改变IS和磁场B的方向消除大多数付效应。具体说在规定电流和磁场正反方向后，分别测量下列四组不同方向的IS和

B组合的VBB',即

然后得到霍尔电压平均值，这样虽然不能消除所有的副效应，但其引入的误差不大，可以忽

略不计。3、材料的电导率和载流电子浓度与迁移率

设BC间距离为L，样品横截面积为S=bd，流经样品电流为IS，在零磁场下，测得BC间

''电压为VB'C,根据欧姆定律可以求出:（1）材料的电导率

（2）载流子的浓度

（3）载流子迁移率载流子电子的迁移用来描述载流子在电场下运动的难易程度。电导率与载流子浓度以与迁移率之间：ne所以RH

实验内容

将测试仪上IM输出，IS输出和VH输入三对接线柱分别与实验台上对应接线柱连接。打开测试仪电源开关，预热数分钟后开始实验。1. 保持IM不变，取IM＝0.45A，IS取1.00,1.50……,4.50mA，测绘VHIS曲线，计算RH。2. 保持IS不变，取IS＝4.50mA，IM取0.100,0.150……,0.450A，测绘VHIM曲线，计算RH。3. 在零磁场下，取IS=0.1mA，测VB'C(即V)。4. 确定样品导电类型，并求载流子浓度n , 迁移率m, 电导率 s。电子的迁移率，表示每秒钟每伏特电压下电子的运动X围大小。用来描述载流子在电场下运动的难易程度，其定义是：在弱电场作用下，载流子平均漂移速率与电场强度的比值。它的量纲是

速度除以电场强度，常用的单位是单位是cm/vs。

2

数据处理

实验内容：通过霍尔效应测磁场总分值：80

1.实验已知数据◆ (不计分)霍尔元件的长度L(mm)=◆ (不计分)霍尔元件的宽度b(mm)=◆ (不计分)霍尔元件的厚度d(mm)=◆ (不计分)电磁铁的励磁参数(Gs/A)=2.保持励磁IM＝0.45A

不变，测绘VHIS曲线，计算RH◆ (9分)数据表格：

Is(mA) 0.50 V1(mV) V2(mV) V3(mV) V4(mV) VH(mV)

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 (6分)根据相关的参数，获得图型信息 （图像绘制正确，得 6 分）

◆ (5分)有图可知斜率k(mV/A)=

◆ (5分)霍尔系数RH(单位：103cm3/c)=

3.保持样品工作电流IS=4.50mA不变，测绘VHIM曲线，计算

RH

◆ (9分)数据表格：

Im(A) V1(mV) V2(mV) V3(mV) V4(mV) VH(mV) 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 ◆ (6分)根据相关的参数，获得图型信息

图像绘制正确，得 6 分◆ (5分)由图可知斜率k(mV/A)=

◆ (5分)霍尔系数RH(单位：103cm3/c)=

4.在零磁场下取IS=0.10mA, 测VB’C，确定样品导电类型，求载流子浓度n ,迁移率µ,电导

率σ。

◆ (不计分)VB'C(mV)=◆ (不计分)样品导电类型=◆ (不计分)霍尔系数RH(单位：

103cm3/c)=◆ (10分)样品电导率σ(s/m)=

◆ (10分)载流子的浓度（单位：10/m）=

203◆ (10分)载流子迁移率µ(单位：m2/(Vs))=

思考题 总分值：10 思考题1 总分值：5

1.若磁场不恰好与霍耳元件片的法线一致，对测量结果有何影响，如何用实验的方法判断B与元件法线是否一致？

答案：

思考题2 总分值：3

2.能否用霍耳元件片测量交变磁场？

答案：

思考题3 总分值：2

3.若霍耳元件的几何尺寸为4mm×6mm，即控制电流两端距离为6mm，而电压两端的距离为4mm，问此霍耳片能否测量截面积为5mm×5mm气隙的磁场？

答案：

实验总结 共 10 分

原始数据：

教师评语：