霍爾效應(yīng)實驗報告-供參考

1、【摘要】隨著電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾效應(yīng)不單是測定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，利用霍爾效應(yīng)制成的霍爾器件憑借其結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬（高達(dá)10GHz）、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于非電量測量、自動控制和信息處理等方面，隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的測量已成為研究半導(dǎo)體材料的主要方法之一，通過實驗測量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率可以判斷材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。本文重點對霍爾電壓（VH）與工作電流（IS）、霍爾電壓（VH）與磁場的關(guān)系進(jìn)行實驗探索，進(jìn)一步深入了解霍爾效應(yīng)的機(jī)理?！娟P(guān)鍵詞】霍爾器件;霍爾電壓;霍爾效應(yīng);實驗探究一、測量磁場的霍爾效應(yīng)法的

2、基本原理霍爾效應(yīng)是指運(yùn)動的電荷在磁場中受力的一種效應(yīng)。通以電流的半導(dǎo)體試樣置于磁場中，如果電流方向與磁場方向垂直，即在X方向通以電流IS，在Z方向加磁場B，則在Y方向就開始聚集異號電荷。當(dāng)電場與磁場對電流的作用達(dá)到平衡時，兩極板間由于電荷的聚集就具有電位差VH，此過程在極短暫的時間內(nèi)（10-13-10-11s）就可完成。此現(xiàn)象是霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，故稱為霍爾效應(yīng)。（VH為霍爾電壓）霍爾效應(yīng)是運(yùn)動的帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚集，從而形成附加的橫向電場，即霍爾電場。若在X方向通以

3、電流IS，在Z方向加磁場B，那么兩極板間形成的電位差VH就形成相應(yīng)的附加電場EH（霍爾電場），電廠的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。（N型試樣，霍爾電場沿Y軸負(fù)方向;P型試樣，霍爾電場沿Y軸正方向）從理論上可以知道，該附加電場EH阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移、當(dāng)載流子所受的橫向電場力eEH與洛倫茲力evB相等時，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡，故有：eEH=evB （1.1）假如設(shè)試樣的寬度為b，厚度為d，載流子的濃度為n，則電流強(qiáng)度IS與v的關(guān)系為：IS=nevbd （1.2）由式1.1、式1.2可得：VH=EHb=ISB/ned=RHISB/d （1.3）由1.3式可知，霍爾電壓VH與ISB成正比，與

4、試樣厚度d成反比。比例系數(shù)RH=1/ne成為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)?；魻栐褪抢蒙鲜龌魻栃?yīng)制成的電磁轉(zhuǎn)換元件，對于成品的霍爾元件，其RH和d已經(jīng)知道，所以在實際應(yīng)用中1.3式可寫成：VH=KHISB （1.4）其中，KH=RH/d=1/ned，是霍爾元件的靈敏度，一般霍爾元件的靈敏度在試驗儀標(biāo)牌上可讀出，表示該器件在單位工作電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下輸出的霍爾電壓;IS成為控制電流。根據(jù)式1.4可知，因為一般情況下KH是已知的，而IS我們可以通過實驗得到，所以只要測出VH就可以求得未知磁感應(yīng)強(qiáng)度B的值。B=VH/KHIS （1.5）二、實驗中影響VH值測量精度的主要因素

5、及誤差因素的消除1.影響因素從理論公式看，求VH值可通過參數(shù)計算得到，但是從實際實驗過程中發(fā)現(xiàn)，往往單純通過公式計算得到的值與真實值不相符，原因在于在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時，伴隨著多種副效應(yīng)，以至于測量值并不等于真實值，而是包含著各種副效應(yīng)引起的附加電壓。主要存在的副效應(yīng)有：不等勢電壓降V0（不等勢效應(yīng)）、溫差電效應(yīng)引起的附加電壓VE（厄廷好森效應(yīng)）、熱磁效應(yīng)直接引起的附加電壓VN（能斯特效應(yīng)）、熱磁效應(yīng)產(chǎn)生的溫差引起的附加電壓VRL（里紀(jì)勒杜克效應(yīng)）。這些附加電壓的存在是導(dǎo)致測量值偏離真實值的主要影響因素，必須設(shè)法消除。2.誤差因素的消除通過對各附加電壓的研究發(fā)現(xiàn)，V0只與IS的方向有關(guān)，與磁感

6、應(yīng)強(qiáng)度B的方向無關(guān)，可以通過改變IS的方向予以消除;VE的符號與IS和B的方向的關(guān)系與VH是相同的，不能用改變IS和B方向的方法予以消除，但是其引入的誤差很小，可以忽略不計;VN的符號只與B的方向有關(guān)，與IS的方向無關(guān)，因此可通過改變B的方向予以消除;VRL的符號只與B的方向有關(guān)，也可以消除。經(jīng)過以上分析可知，測量值等于各附加電壓的代數(shù)和，而各附加電壓均可通過IS和B換向?qū)ΨQ測量法來進(jìn)行消除，具體方法是在規(guī)定了電流和磁場正、反方向后，分別測量由四組不同方向的IS和B的組合的測量電壓。IS和B方向均為正向時：V1=VH+V0+VN+VRL+VEIS為正向，B反向時：V2=-VH+V0-VN-VR

7、L-VEIS和B均為反向時：V3=-VH-V0+VN+VRL-VEIS為反向，B正向時：V4=-VH-V0+VN+VRL-VE求以上四組數(shù)據(jù)的代數(shù)平均值，可得：VH=（V1-V2+V3-V4）/4通過對稱測量法求得的VH，雖然還存在個別無法消除的副效應(yīng)，但其引入的誤差很小，可以忽略不計。三、實驗研究內(nèi)容本次對霍爾效應(yīng)特性的定性及定量研究，主要針對IS變化時通過霍爾片的電流與霍爾電壓VH的變化關(guān)系以及電磁鐵勵磁電流IM與霍爾電壓VH間的關(guān)系，通過前面論述我們可以知道電磁鐵的勵磁電流IM與其磁場成正比，因此實質(zhì)上就是研究磁場B與霍爾電壓VH的關(guān)系。本次試驗采用的是TH-H型霍爾效應(yīng)實驗組合儀進(jìn)行試

8、驗，該實驗儀由實驗儀和測試儀兩大部分組成，實驗儀包括霍爾效應(yīng)樣品片、電磁鐵及線路連接換向開關(guān)，測試儀包括霍爾樣品片工作恒流源IS及電磁鐵勵磁電流恒流源IM以及直流數(shù)字電流表和直流數(shù)字電壓表。在實驗中通過有規(guī)律性改變IS、IM值來獲得實驗數(shù)據(jù)，并依據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理探尋VH和IS、IM關(guān)系。 四、實驗數(shù)據(jù)處理與分析1.VH-IS數(shù)據(jù)處理分析實驗數(shù)據(jù)如下表1所示。V8-V1=6.30-0.82=5.48V9-V2=7.10-1.60=5.50V10-V3=7.87-2.39=5.48V11-V4=868-3.18=5.50V12-V5=9.45-3.97=5.48V13-V6=10.25-4.74

9、=5.51V14-V7=11.04-5.54=5.50數(shù)據(jù)個數(shù)N=7 n=7根據(jù)肖維涅準(zhǔn)則剔除壞值C7=1.8（壞值條件：|Xi-X|Cn*SX）X的平均值（）為5.49SX=0.012536 Cn*SX=0.022564 無壞值出現(xiàn)某次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差：平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：不確定度估算：UA=0.0047;計算霍爾靈敏度KH及其不確定度：處理結(jié)果： （P=0.683）E=1.0%2.VH-IM數(shù)據(jù)處理分析（如表2所示）計算結(jié)果極其不確定度：在圖上取兩點A（200，1.55） B（700，5.47）Im=ImA-ImB=700-200=500（mA）VH=VHB-VHA=5.47-1.55=3.92（mV）（m取橫坐標(biāo)最小刻度值的一半）（m取縱坐標(biāo)最小刻度值的一半）處理結(jié)果：KH=（17.40.2） （P=0.683）E=0.9%五、總結(jié)本次對霍爾效應(yīng)特性的研究實驗我先從理論上入手分析研究了霍爾效應(yīng)測磁場的原理以及找出影響VH測量值準(zhǔn)確性的非人為因素，然后進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的實驗步驟進(jìn)行，雖然理論