霍尔效应原理及其应用实验报告VIP免费

一、实验名称：霍尔效应原理及其应用二、实验目的：1、了解霍尔效应产生原理；2、测量霍尔元件的、曲线，了解霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流间的关系；3、学习用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法，测量长直螺旋管轴向磁感应强度及分布；4、学习用对称交换测量法（异号法）消除负效应产生的系统误差。三、仪器用具：YX-04型霍尔效应实验仪（仪器资产编号）四、实验原理：1、霍尔效应现象及物理解释霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图１所示。半导体样品，若在ｘ方向通以电流，在ｚ方向加磁场，则在ｙ方向即样品Ａ、Ａ′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的电场，电场的指向取决于样品的导电类型。显然，当载流子所受的横向电场力时电荷不断聚积，电场不断加强，直到样品两侧电荷的积累就达到平衡，即样品Ａ、Ａ′间形成了稳定的电势差（霍尔电压）。设为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度；样品的宽度为，厚度为，载流子浓度为，则有：（1－1）因为，，又根据，则（1－2）其中称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出、以及知道和，可按下式计算：（1－3）（1—4）为霍尔元件灵敏度。根据ＲH可进一步确定以下参数。（１）由的符号（霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判别的方法是按图１所示的和的方向（即测量中的＋，＋），若测得的＜０（即Ａ′的电位低于Ａ的电位），则样品属Ｎ型，反之为Ｐ型。（２）由求载流子浓度，即。应该指出，这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的。严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入的修正因子（可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》）。（３）结合电导率的测量，求载流子的迁移率。电导率与载流子浓度以及迁移率之间有如下关系：（1－5）2、霍尔效应中的副效应及其消除方法上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多。产生上述霍尔效应的同时还伴随产生四种副效应，使的测量产生系统误差，如图２所示。（１）厄廷好森效应引起的电势差。由于电子实际上并非以同一速度ｖ沿ｙ轴负向运动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点３的侧面，从而导致３侧面较４侧面集中较多能量高的电子，结果３、４侧面出现温差，产生温差电动势。可以证明。的正负与和的方向有关。图２在磁场中的霍尔元件（２）能斯特效应引起的电势差。焊点１、２间接触电阻可能不同，通电发热程度不同，故１、２两点间温度可能不同，于是引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热扩散电流也会在３、４点间形成电势差。若只考虑接触电阻的差异，则的方向仅与磁场的方向有关。（３）里纪-勒杜克效应产生的电势差。上述热扩散电流的载流子由于速度不同，根据厄廷好森效应同样的理由，又会在３、４点间形成温差电动势。的正负仅与的方向有关，而与的方向无关。（４）不等电势效应引起的电势差。由于制造上的困难及材料的不均匀性，３、４两点实际上不可能在同一等势面上，只要有电流沿x方向流过，即使没有磁场，３、４两点间也会出现电势差。的正负只与电流的方向有关，而与的方向无关。综上所述，在确定的磁场和电流下，实际测出的电压是霍尔效应电压与副效应产生的附加电压的代数和。可以通过对称测量方法，即改变和磁场的方向加以消除和减小副效应的影响。在规定了电流和磁场正、反方向后，可以测量出由下列四组不同方向的和组合的电压。即：，：，：，：，：然后求，，，的代数平均值得：通过上述测量方法，虽然不能消除所有的副效应，但较小，引入的误差不大，可以忽略不计，因此霍尔效应电压可近似为（1－6）3、直螺线管中的磁场分布1、以上分析可知，将通电的霍尔元件放置在磁场中，已知霍尔元件灵敏度，测量出和，就可以计算出所处磁场的磁感应强度。（1－7）2、直螺旋管离中点处的轴向磁感应强度理论公式：（1－8）式中，是磁介质的磁导率，为螺旋管的匝数，为通过螺旋管的电流，为螺旋管的长度，是...