實驗十-霍爾效應(yīng)

1、實驗十霍爾效應(yīng)研究實驗?zāi)康?了解霍爾效應(yīng)的基本原理以及有關(guān)霍爾元件對材料要求的知識。學(xué)習(xí)用“對稱測量法”消除副效應(yīng)的影響，測量試樣的UhIS和UIm曲線。HSHM確定試樣的導(dǎo)電類型、載流子濃度以及遷移率。實驗原理霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運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)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場，即霍爾電場，這個電場的電勢差稱為霍爾電壓，記做U。對于圖1（a）所示的N型半導(dǎo)體試樣，若在x方向通以電流I,在z方向加磁場B,HS試樣中載流子（電子）將受洛倫茲力F=euBg（1）則在

2、y方向上，即試樣的A、A電極所在的兩側(cè)，就開始聚積異號電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場一一霍爾電場。電場的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。對N型試樣，霍爾電場沿y軸負方向，對P型試樣霍爾電場則沿y軸正方向，有E（y）0（N型），E（y）0（P型）。HH圖1樣品示意圖顯然，該電場是阻止載流子繼續(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neuB相等時，樣品兩側(cè)電荷的積累就達到平衡，故有eE=euB（2）H其中Eh為霍爾電場，U是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬為b厚度為d,載流子濃度為n,貝II=neubd（3）S由（2）、（3）兩式可得HHne嚶=R嚶dSHdS4）即霍爾電壓（A、A電

3、極之間的電壓）與IB乘積成正比，與試樣厚度成反比。比例系R=_數(shù)hne稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強弱的重要參數(shù)，只要測出Uh（伏）以H及（安）、B（特斯拉）和d（米），可按下式計算R（米級庫侖）。5)根據(jù)R可進一步確定以下參數(shù)H由rh的符號（或霍爾電壓的正負）判斷樣品的導(dǎo)電類型H判斷的方法是按圖1所示的IS和B的方向，若測得的UH=UAU（約占5%）,因此U可略去不計，所以霍爾電壓為HEETTUU+UUU123H4（8）實驗儀器TH-H型霍爾效應(yīng)組合實驗儀（實驗儀和測試儀）。實驗內(nèi)容測量UI關(guān)系連接測試儀和實驗儀之間的IS、UH、IM各組連線。為了準確測量，應(yīng)先對測試儀進行TOC o

4、1-5 h zSHM調(diào)零，即將測試儀的“IS調(diào)節(jié)”和調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位，待開機數(shù)分鐘后若UH顯示不SMH為零，可通過面板左下方小孔的“調(diào)零”電位器實現(xiàn)調(diào)零，即“0.00”。將實驗儀的“UH、U”切換開關(guān)投向“UH”側(cè)，測試儀的“功能切換”置“UH”。保持1值不變（取1=0.6A）,測繪UIS曲線，記入表1中。MMHS2測量UhIm關(guān)系實驗儀及測試儀各開關(guān)同上。保持I值不變（取I=3.00mA），測量UIm關(guān)系，記入表2中。測量U值將實驗儀的“UH、U”切換開關(guān)投向“u”側(cè)，測試儀的“功能切換”置“u”。在零磁場下，取Is=2.00mA，測量U。注意，I取值不要過大，以免U太大，毫伏表超量程（此

5、時首位數(shù)碼顯示為1，后三位數(shù)碼熄滅）。確定樣品的導(dǎo)電類型將實驗儀三組雙刀開關(guān)均投向上方，即Is沿x方向，B沿z方向，毫伏表測量電壓為UAA。取IS=2mA,Im=0.6A,測量UH大小及極性，判斷樣品導(dǎo)電類型。SMH注意事項儀器出廠前，霍爾片已調(diào)至電磁鐵中心位置。霍爾片性脆易碎，電極甚細易斷，嚴防撞擊或用手觸摸，否則極易遭損壞。在需要調(diào)節(jié)霍爾片位置時，必須謹慎，切勿隨意改變其y軸方向的高度，以免霍爾片與磁極面摩擦而受損。嚴禁將測試儀的勵磁電源輸出”接到實驗儀的“Is輸入”或“UH、U輸出”，否則MSH一旦通電，霍爾器件即遭損壞。I=0.6AM儀器開機前應(yīng)將Is、IM調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向旋到底，使

6、其輸出電流趨于最小狀態(tài)，然后再開機。儀器接通電源后，應(yīng)預(yù)熱數(shù)分鐘后再進行實驗。關(guān)機前，應(yīng)將s、調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向旋到底，使其輸出電流趨于零，然后才可切斷電源。每次對Im雙刀開關(guān)進行換向前均應(yīng)將IM調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向旋到底，以免雙刀開關(guān)換向時開關(guān)打火，產(chǎn)生安全隱患且縮短儀器使用壽命。數(shù)據(jù)記錄表1保持I不變，用對稱法測量霍爾電壓I=0.6A，電磁鐵常數(shù)C=，B=CI=.(1GS=1O-4T)MMS丁3-0OmA，電磁鐵常數(shù)C=，B=J=.(1GS=10-4T)IM(A)U(mV)1u(mV)2u(mV)u(mV)4u-u+u-uUH-12434(mV)+I、+BS+I、一BSI、一BSI、+BS0

7、.3000.4000.5000.6000.7000.8003測量霍爾元件的零位（不等位）電勢U。值將實驗儀的“UH、U”切換開關(guān)投向“U?！眰?cè)，測試儀的“功能切換”置“U?！?。在零磁場下（=0），取1=2.00mA，測量U.U=mVMSbb4確定樣品的導(dǎo)電類型取，S=2mA,1=0.6A，測量U大小及極性，判斷樣品導(dǎo)電類型。U=U=mVSMHHAA數(shù)據(jù)處理1測定樣品的霍爾系數(shù)匕，載流子濃度n根據(jù)表1的測定值（UH、IS），以IS為橫坐標(biāo)，UH為縱坐標(biāo)，作UH-IS曲線。理論上得B到一條通過坐標(biāo)原點“0”的傾斜直線，其斜率b=Rh根據(jù)已知的B和d值，可求得RhHd,H值；或用最小二乘法求uH、I

8、S兩個變量的直線方程的兩個參數(shù)（截距和斜率），也可求得I1Rh的值。，再根據(jù)n=和已知載流子電量（如：電子電量q=-1.6x10-19C）HUdqRqHH就可得到該材料的載流子濃度n=m-3RqH霍爾靈敏度kH的確定由表2的測定值（UH、IM），以IM為橫坐標(biāo)，UH為縱坐標(biāo)，作UHIM曲線。理論上得到H,MMHHM一條通過坐標(biāo)原點“0”的傾斜直線，其斜率b=KIC，根據(jù)已知的C和IS值，可求得HSSbK值.K=mV/mA.THHICS3確定樣品的電導(dǎo)率&及遷移率“先將“UH、U輸出”擲向U，“切換功能”置U。在零磁場（IM=0.00A）條件下，取HaaaMIS=2.00mA，測量UAC=U（電

9、壓表顯示值）。SACaI-1S根據(jù)電導(dǎo)率公式a=uS可求得a，其中1、S=bd由實驗儀器給定b（d=0.5mm,d=4.0mm,1=3.0mm）。根據(jù)電導(dǎo)率a與載流子子濃度n及遷移率卩之間的18關(guān)系a=nep，由測定的RH=及a值，可得載流子的遷移率卩=IRHIa或IRHIHnqH3兀Ha，“的單位：cm2/sV。表示單位電場下載流子的平均漂移速度。“=|Rh|a=cm2/sVH預(yù)習(xí)思考題列出計算霍爾系數(shù)Rh、載流子濃度n、電導(dǎo)率o及遷移率p的計算公式，并注明單位。如已知霍爾樣品的工作電流Is及磁感應(yīng)強度B的方向，如何判斷樣品的導(dǎo)電類型？附錄】TH-H型霍爾效應(yīng)實驗組合儀由實驗儀和測試儀兩大部

10、分組成。1實驗儀如圖6所示，樣品各電極及線包引線與相應(yīng)的雙刀開關(guān)之間的連線已經(jīng)由制造廠家連接好。（1）電磁鐵規(guī)格為2.50KGS/A，磁鐵線包的引線由星標(biāo)者為頭（見實驗儀上的圖示），線包繞向為順時針（操作者面對實驗儀）。根據(jù)線包繞向及勵磁電流IM流向，可確定磁感應(yīng)強度B的方向，M而B的大小與/m的關(guān)系由廠家給定并標(biāo)明在線包上（B=CI皿=KGS/A=T/mA）。高斯（GS）是非SI單位制的磁感應(yīng)強度B的單位，1GS=1O-4T。（2）樣品和樣品架樣品材料為半導(dǎo)體硅單晶片，根據(jù)空腳的位置不同，樣品分A腳空置和C腳空置兩種形式。樣品的幾何尺寸為：厚度d=05mm,寬度b=4Omm,A、C電極間距L=3Omm。樣品共有三對電極，其中A、A或C、C用于測量霍爾電壓Uh，A、C或AC用于測量H電導(dǎo)；D、E為樣品工作電流電極。各電極與雙刀換接開關(guān)的接線見實驗儀上圖示說明。樣品架具有x、y調(diào)節(jié)功能及讀數(shù)裝置，樣品放置的方位（操作者面對實驗儀）如圖5.2-1所示。（3）IS和Im換向開關(guān)及UH、UO切換開關(guān)SMIS及IM換向開關(guān)投向上方，表明IS及IM均為正值（即IS沿x方向，B沿z方向），反之為負值。UH、U切換開關(guān)投向上方測U，投向下方測U。2測試儀（面板如圖7所示）（1）輸出”為010mA樣品工作電流源，輸出”為01A勵磁電流源。兩組電流源M彼此獨立，“IS調(diào)節(jié)”旋