长江大学：物理与光电工程学院（物理实验）霍尔效应实验.pdf_大学文库

霍尔效应实验一、实验目的1、了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性；2、掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。二、实验原理2如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中，其平面与磁Lt场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（M、N和P、S），径电极M、N通以直流电流IH，则在P、S极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。这电势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片川Ax(B)就是霍尔片。假设霍尔片是由n型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极M、N上通过的电流由M极进入，N极出来（如图），则片中载流子（电子）的运动方向与电流Is的方向相反，运动的载流子在磁场中要受到洛仑兹力的作用，J=eU×B，电子在洛仑兹力的作用下，在由N-M运动的过程中，同时要向S极所在的侧面偏转（即向下方偏转），结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（P极所在侧面）带正电，在上下两侧面之间就形成电势差VH，即霍尔电势差。薄片中电子在受到洛仑兹力作用的同时，要受到霍尔电压产生的电场的作用。电子受力为零达到稳定状态，则有-eE.-exB-0E =-DxBIs=nedby,v=ls/nedb。VH=IsB/ned=KIsB式中比例系数Ku=1/ned，称为霍尔元件的灵敏度将V=KIsB改写得B=VH/KHls如果我们知道了霍尔电流IH霍尔电压Va的大小和霍尔元件的灵敏度KH，我们就可以算出磁感应强度B。实际测量时所测得的电压不只是VH，还包括其他因素带来的附加电压。根据其产生的原因及特点，测量时可用改变Is和B的方向的方法，抵消某些因素的影响。例如测量时首先任取某一方向的Is和B为正，当改变它们的方向时为负，保持Is、B的数值不变，取（Is+，B+）（Is、B）（Is+、B.）、（Is，B.）四种条件进行测量，测量结果分别为：V,=VH+Vo+Ve+VN+VRLV,=-VirVo-Ve+VN+VRLV3--VH+Vo-Ve-VN-VRLV4-Vh-Vo+Ve-VN-VRL

霍尔效应实验一、实验目的 1、了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性； 2、掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。二、实验原理如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中，其平面与磁场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（M、N 和 P、S），径电极 M、N 通以直流电流 IH，则在 P、S 极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。这电势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片就是霍尔片。假设霍尔片是由 n 型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极 M、N 上通过的电流由 M 极进入， N 极出来（如图），则片中载流子（电子）的运动方向与电流 IS 的方向相反，运动的载流子在磁场中要受到洛仑兹力的作用， f B e B       ，电子在洛仑兹力的作用下，在由 N→M 运动的过程中，同时要向 S 极所在的侧面偏转（即向下方偏转），结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（P 极所在侧面）带正电，在上下两侧面之间就形成电势差 VH，即霍尔电势差。薄片中电子在受到洛仑兹力作用的同时，要受到霍尔电压产生的电场的作用。电子受力为零达到稳定状态，则有 - eE H - e  B  0     B    E H  -  IS=nedb v , v =IS/nedb。 VH = ISB/ned =KH ISB 式中比例系数 KH = 1/ned，称为霍尔元件的灵敏度。将 VH =KH IS B 改写得 B = VH / KH IS 如果我们知道了霍尔电流 IH，霍尔电压 VH的大小和霍尔元件的灵敏度 KH，我们就可以算出磁感应强度 B。实际测量时所测得的电压不只是 VH，还包括其他因素带来的附加电压。根据其产生的原因及特点，测量时可用改变 IS和 B 的方向的方法，抵消某些因素的影响。例如测量时首先任取某一方向的 IS 和 B 为正，当改变它们的方向时为负，保持 IS、B 的数值不变，取（IS+，B+）、（IS-、B+）、（IS+、B-）、（IS-，B-）四种条件进行测量，测量结果分别为： V1= VH+V0+VE+VN+VRL V2=-VH-V0-VE+VN+VRL V3=-VH+V0-VE-VN-VRL V4=VH-V0+VE-VN-VRL

(1)"Is输出”：霍尔工作电流源，输出电流0～3mA，通过"Ts调节"旋钮调节。“IM输出”：螺线管励磁电流源，输出电流0～0.5A，通过"IM调节"旋钮调节。(2)直流电压表"Vα(mV)"，供测量霍尔电压用。四、实验步骤1、将测试仪面板上“I、输出”、“V测量端”、“I输出”三对接线柱分别与实验架上对应的接线柱连接。注意：以上三组线千万不能接错，以免烧坏元件，将I，和IM调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小状态。2、用一边是分开的接线插、一边是双芯插头的控制连接线与测试仪背部的插孔相连接（红色插头与红色插座相联，黑色插头与黑色插座相联）。3、先将I，和IM调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为0mV。4、打开测试仪电源，调节IM=+0.500.A，并在测量过程终保持不变。调节Is=0.50mA,按表中Is的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压V值（Vi，V2）。以后Is每次递增0.50mA，测量各Vi，V2值。5、将I、和I调零，调节I=-0.500A，并在测量过程终保持不变。调节Is=0.50mA,按表中Is的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压V值（V3，V4)。以后Is每次递增0.50mA，测量各V3，V4值。6、将I和IM调零，调节Is至3.00mA。调节IM=+0.100，按表中Is的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压V值（Vi，V2）。以后IM每次递增0.050A，测量各Vi，V2值。7、将I.和IM调零，调节Is至3.00mA。调节IM=-0.100，按表中Is的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压V值（V3，V4）。以后IM每次递增0.050A，测量各V3，V4。8、将I，和I调零，关闭电源，拆线，收拾仪器。9、绘制霍尔电压和工作电流的VH-Is曲线。10、绘制霍尔电压和励磁电流的VH-IM曲线。五、实验数据记录与处理表1IM=0.500AV(mV) V2(mV) V3(mV) /V4(mV)Vn-V-+V,-4 (mV)Is(mA)4+Is +IM-Is +IM-Is -IM+Is -IM0.501.001.502.002.503.00

(1) “Is 输出”：霍尔工作电流源，输出电流 0～3mA，通过“Is 调节”旋钮调节。 “IM 输出”：螺线管励磁电流源，输出电流 0～0.5A，通过“IM 调节”旋钮调节。 (2) 直流电压表“VH(mV)”，供测量霍尔电压用。四、实验步骤 1、将测试仪面板上“ S I 输出”、“VH 测量端”、 “ M I 输出”三对接线柱分别与实验架上对应的接线柱连接。注意：以上三组线千万不能接错，以免烧坏元件，将 S I 和 M I 调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小状态。 2、用一边是分开的接线插、一边是双芯插头的控制连接线与测试仪背部的插孔相连接(红色插头与红色插座相联, 黑色插头与黑色插座相联)。 3、先将 S I 和 M I 调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为 0mV。 4、打开测试仪电源，调节 0.500 M I A   ，并在测量过程终保持不变。调节 Is =0.50mA,按表中 Is 的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压 VH值（V1，V2）。以后 Is 每次递增 0.50mA，测量各 V1，V2 值。 5、将 S I 和 M I 调零，调节 0.500 M I A   ，并在测量过程终保持不变。调节 Is =0.50mA,按表中 Is 的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压 VH值（V3，V4）。以后 Is 每次递增 0.50mA，测量各 V3，V4 值。 6、将 S I 和 M I 调零，调节 Is 至 3.00mA。调节 IM=+0.100，按表中 Is 的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压 VH值（V1，V2）。以后 IM 每次递增 0.050A，测量各 V1，V2值。 7、将 S I 和 M I 调零，调节 Is 至 3.00mA。调节 IM=-0.100，按表中 Is 的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压 VH值（V3，V4）。以后 IM 每次递增 0.050A，测量各 V3，V4。 8、将 S I 和 M I 调零，关闭电源，拆线，收拾仪器。 9、绘制霍尔电压和工作电流的 V I H S  曲线。 10、绘制霍尔电压和励磁电流的 V I H M  曲线。五、实验数据记录与处理表 1 0.500 M I A  Is(mA) V1(mV) V2(mV) V3(mV) V4(mV) 4 V1 V2 V3 V4 VH     (mV) +Is +IM -Is +IM -Is -IM +Is -IM 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00