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实验实验10Page 961霍尔效应原理实验101一、实验目的一、实验目的1.1.了解霍尔效应原理以及霍尔器件了解霍尔效应原理以及霍尔器件对材料的要求对材料的要求2.2.测元件的霍尔系数、载流子浓度测元件的霍尔系数、载流子浓度及迁移率及迁移率3.3.确定导电类型确定导电类型4.4.了解对称测量法了解对称测量法2一、实验目的1.了解霍尔效应原理以及霍尔器件对材料的要求2二、实验原理二、实验原理3二、实验原理318791879年年,美国物理学家霍尔美国物理学家霍尔(E.H.HaLL)发现：发现：BIsBIs为什么出现为什么出现为什么出现为什么出现霍尔电压？霍尔电压？霍尔电压？霍尔电压？运动电荷受磁场力的作用有关运动电荷受磁场力的作用有关运动电荷受磁场力的作用有关运动电荷受磁场力的作用有关41879年,美国物理学家霍尔(E.H.HaLL)发现：洛伦兹力洛伦兹力荷兰物理学者亨德里克荷兰物理学者亨德里克洛伦兹洛伦兹提出。提出。定义：磁场对运动电荷的定义：磁场对运动电荷的作用力。运动作用力。运动(v)电荷电荷(q)在磁场在磁场(B)中所受到的力中所受到的力（F）。）。计算洛伦兹力：计算洛伦兹力：FB=qvB 5洛伦兹力荷兰物理学者亨德里克洛伦兹提出。5洛伦兹力洛伦兹力FB=qvB的方向判断：的方向判断：右手定则：右手定则：四指方向四指方向V方向方向四指弯曲方向四指弯曲方向 B方向方向大拇指方向大拇指方向确定确定F方向方向q正正大拇指方向大拇指方向=FB方向方向q负负大拇指大拇指反反方向方向=FB方向方向6洛伦兹力FB=qvB的方向判断：右手定则：四指方向V方向四指霍尔效应N N型半导体型半导体(Negative)：电子为载流子电子为载流子F洛洛(B)-v ve eB测得霍尔电压为测得霍尔电压为负负(negative)s ss s7霍尔效应霍尔效应：霍尔电压正或负？+-II+-测得霍尔电压为测得霍尔电压为正正（positive)BP P型半导体型半导体（positive）：空穴为载流子空穴为载流子s ss s8+-II+-测得霍尔电压为正B0+霍尔电疑问？疑问？霍尔电压可测或可计算？霍尔电压可测或可计算？霍尔电压与哪些因素有关？霍尔电压与哪些因素有关？与直流电流有关吗？与直流电流有关吗？与磁场有关吗？与磁场有关吗？与元件有关吗？与元件有关吗？F洛洛b:霍尔片高度霍尔片高度d:霍尔片宽度霍尔片宽度V1 V2 s ss s9疑问？霍尔电压可测或可计算？+-IB+I0+霍尔电F洛洛b:霍尔片高度霍尔片高度d:霍尔片宽度霍尔片宽度E:电场强度电场强度1 1、霍尔电压、霍尔电压(VH=V1-V2):计算霍尔电压计算霍尔电压：VH=bE P P型半导体：型半导体：空穴为载流子空穴为载流子 V1 V2 怎么求电场强度怎么求电场强度E E？可测，可计算？可测，可计算？s ss s10+-IB+I0+霍尔电压+-+F洛洛平衡时F洛=Fen载流子数密度载流子数密度霍尔电压霍尔电压V1-V2=bE E=？运动电荷速度运动电荷速度v=？V1 V2 s ss s11+-IB+I0+霍尔电压+-+F洛洛n载流子数密度载流子数密度S=bd为霍尔片截面积为霍尔片截面积d为霍尔片宽度为霍尔片宽度s运动电荷速度运动电荷速度v=？霍尔电压霍尔电压VH=bE=bvB 霍尔系数霍尔系数R RH H12+-IB+I0+霍尔电压+-+问：怎么用可测的问：怎么用可测的V VH H求霍尔系数求霍尔系数R RH H？霍尔系数：霍尔系数：反映霍尔效应强弱；反映霍尔效应强弱；其符号决定于试件中载流子其符号决定于试件中载流子是带正电荷（空穴）或负电荷是带正电荷（空穴）或负电荷（电子）。（电子）。与电流、磁场强度、与电流、磁场强度、与电流、磁场强度、与电流、磁场强度、霍尔片霍尔片有有有有关？关？关？关？13问：怎么用可测的VH求霍尔系数RH？霍尔系数：与电流、磁场强2 2、求霍尔系数、求霍尔系数R RH HB=kIm(k已知，为已知，为B与励磁电流与励磁电流Im的转化系数，从测的转化系数，从测试仪上查出）；试仪上查出）；所加的励磁电流所加的励磁电流Im和直流电流和直流电流Is可知道可知道;d为霍尔片厚度。为霍尔片厚度。142、求霍尔系数RHB=kIm(k已知，为B与励磁电流Im的转3、VH-Is关系：关系：直线直线保持励磁电流保持励磁电流IM（可测）不变，（可测）不变，则则B不变；不变；B=kIM(k已知，为已知，为B与与IM的转化系数，从测试仪上查出）；的转化系数，从测试仪上查出）；d为霍尔片厚度为霍尔片厚度测测V VH H、I Is s，作作V VH H-I-Is s直线直线 常数常数测定数据测定数据 表表10-1153、VH-Is关系：直线保持励磁电流IM（可测）不变，则B不4、VH-IM关系：关系：直线直线保持保持Is（可测）不变；（可测）不变；k已知，为已知，为B与与IM的转化系数；的转化系数；d为霍尔片厚度为霍尔片厚度测测V VH H、I IM M作作作作V VH H-I-IM M直线直线测定数据测定数据 表表10-2常数常数164、VH-IM关系：直线保持Is（可测）不变；测VH、IM测e=1.610-19C5 5、求载流子浓度、求载流子浓度n n17RH1ne如考虑载流子的速度统计分布RH1ne3p8e=1.l为为已知，为已知，为A、C距离；距离；S=bd为霍尔片截面积；为霍尔片截面积；零磁场零磁场零磁场零磁场I Imm=0=0时，时，时，时，A A、C C之间的电位差之间的电位差之间的电位差之间的电位差186、求载流子的迁移率VsVslS电导率sIsl为已知，为A7、判断、判断N或或P型型19载流子数密度n+-IB+霍尔效应I0+霍尔电压+-三、实验仪器三、实验仪器20三、实验仪器20霍尔效应测磁场霍霍尔尔效效应应实实验验仪仪21霍尔效应测磁场BV霍尔元件探头保护罩霍212222霍尔霍尔效应效应实验实验组合组合仪仪IM输入输入Is输入输入VH/V输出输出实实验验仪仪23霍尔IM输入Is输入VH/V输出实23参考讲义参考讲义注意：注意：开关机前，测试仪上的开关机前，测试仪上的“IM调节调节”及及“IS调节调节”旋钮旋钮均置于零（逆时针旋到底）。均置于零（逆时针旋到底）。24四、实验步骤参考讲义注意：241.连接测试仪与实验仪之间的各组连线连接测试仪与实验仪之间的各组连线page 99 图图10-2251.连接测试仪与实验仪之间的各组连线page 99 图10-红红-红连线红连线黑黑-黑连线黑连线IM输入输入Is输入输入VH/V输出输出实验仪实验仪26红-红连线IM输入Is输入VH/V输出实验仪26 目的消除误差：目的消除误差：霍尔元件中的副效应霍尔元件中的副效应(不等势电压不等势电压;由温由温差电效应、热磁效应引起的附加电压差电效应、热磁效应引起的附加电压)分别测量四组不同的分别测量四组不同的A A、A A两点的电位差两点的电位差27 目的消除误差：霍尔电压的测量方法：对称测量法分别测若若“实验仪”约定开关定开关IM（相当于（相当于B）、）、IS向上向上合合为正，正，则向下合向下合为负。实验仪+B，+IS-B，+IS-B，-IS+B，-ISIM开关开关向上合向上合向下合向下合向下合向下合向上合向上合IS开关开关向上合向上合向上合向上合向下合向下合向下合向下合“实验仪实验仪”开关方向约定：正负开关方向约定：正负IM输入输入Is输入输入28若“实验仪”约定开关IM（相当于B）、IS向上合为正，则向下2.测绘测绘VH-Is直线直线按表按表10-1依次改变依次改变Is,测量测量UH,IM输入输入Is输入输入VH/V输出输出292.测绘VH-Is直线按表10-1依次改变Is,测量UH表表10-1：保持保持 Im=0.600A不变，测霍尔电压不变，测霍尔电压Is(mA)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)UH(mV)+B，+IS-B，+IS-B，-IS+B，-IS1.00-3.09-3.093.01-2.93.12-3.031.50-4.62-4.624.49-4.464.66-4.562.00-6.18-6.186.00-5.966.22-6.092.50-7.73-7.737.49-7.457.77-7.613.00-9.28-9.288.99-8.959.32-9.143.50-10.82-10.8210.47-10.4310.86-10.654.00-12.35-12.3511.95-11.9112.39-12.15注：读数有正负注：读数有正负30表10-1：保持 Im=0.600A不变，测霍尔电压Is(3.测绘测绘VH-IM直线直线按表按表10-2：保持：保持Is=3.00mA不变，依次改变不变，依次改变IM,测量霍尔电压测量霍尔电压313.测绘VH-IM直线按表10-2：保持Is=3.00mA表10-2：保持Is=3.00mA不变，改变IM,测量霍尔电压IM(mA)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)UH(mV)0.3-4.734.41-4.374.74-4.56 0.4-6.235.95-5.916.27-6.09 0.5-7.757.47-7.437.8-7.61 0.6-9.288.99-8.959.32-9.14 0.7-10.810.5-10.4710.84-10.65 0.8-12.3212.02-11.9912.37-12.18 32表10-2：保持Is=3.00mA不变，改变IM,测量霍尔4、测量、测量V值（两电极值（两电极A、C间的电位差，间的电位差，计算电导率用）计算电导率用）实验仪实验仪“VHV”倒向倒向V，测试仪测试仪“功能切换功能切换”置置V实验仪实验仪IM断开，按测量选择断开，按测量选择IS（测试仪），（测试仪），向上合开关向上合开关IS（实验仪），（实验仪），调节调节IS=2.00mA（零磁场（零磁场IM=0，IS=2.00mA），），测量测量V值值，记录，记录V=？mA334、测量V值（两电极A、C间的电位差，计算电导率用）实验仪5、从测试仪电磁铁的线包上、从测试仪电磁铁的线包上查出查出B与与IM的转化系数的转化系数k如如I IM M=0.600A,=0.600A,则则K K K K读数乘读数乘读数乘读数乘0.10.10.10.1计算计算计算计算345、从测试仪电磁铁的线包上查出B与IM的转化系数k如IM=06.确定样品导电类型确定样品导电类型实验仪三组双刀开关：均掷向上方实验仪三组双刀开关：均掷向上方按测量选择按测量选择IS，合开关，合开关IS，调节，调节IS=2.00mA；按测量选择按测量选择IM，合开关，合开关IM，调节，调节IM=0.600A测量测量VAA大小大小,并判断霍尔片的极性。并判断霍尔片的极性。极性判断：极性判断：若若VH=VAA为正值，说明样品是为正值，说明样品是P型半导体，型半导体，反之，为反之，为N型半导体。型半导体。356.确定样品导电类型实验仪三组双刀开关：均掷向上方351.1.完成数据记录表完成数据记录表10-110-1，并作并作V VH H-I-IS S曲线曲线36五、数据处理与结果1.完成数据记录表10-1，并作VH-IIs(mA)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)UH(mV)+B，+IS-B，+IS-B，-IS+B，-IS1.00-3.09-3.093.01-2.93.12-3.031.50-4.62-4.624.49-4.464.66-4.562.00-6.18-6.186.00-5.966.22-6.092.50-7.73-7.737.49-7.457.77-7.613.00-9.28-9.288.99-8.959.32-9.143.50-10.82-10.8210.47-10.4310.86-10.654.00-12.35-12.3511.95-11.9112.39-12.152、根据、根据表表10-1中中 Im=0.600A，Is=2.00mA时测得数据计算时测得数据计算霍尔系数、载流子浓度和载流子迁移率霍尔系数、载流子浓度和载流子迁移率37Is(mA)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)已知：已知：表表10-1 测得测得Im=0.600A，Is=2.00mA时的霍时的霍尔电压尔电压VH；k已知，为已知，为B与与Im的转化系数，从测试仪上查的转化系数，从测试仪上查出，计算时乘以出，计算时乘以0.1；d为霍尔片厚度为霍尔片厚度=0.5mm；注意：用国际单位计算注意：用国际单位计算(m/T)。38已知：38计算迁移率：计算迁移率：计算载流子浓度：计算载流子浓度：已知：已知：Is=2.00mA,l=3.0mm,S=db,d=0.5mm,b=4.0mm 假定测得假定测得V=125.30mVe=1.610-19C39计算迁移率：计算载流子浓度：已知：Is=2.00mA,e=3.3.完成数据记录表完成数据记录表10-210-2，并作并作V VH H-I-IM M曲线曲线403.完成数据记录表10-2，并作VH-IM曲线404.4.确定样品的导电类型（确定样品的导电类型（P P型还是型还是N N型）型）414.确定样品的导电类型（P型还是N型）41
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