实验3霍尔效应霍尔法测量磁场

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1、聊城大学基础物理实验室实验3霍尔效应霍尔法测量磁场通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。一、基本教学要求1．掌握霍尔效应；2．了解特斯拉计的原理；二、实验原理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。试样中载流子（电子）将受洛仑兹力：图2-18-1N型半导体试样图2-18-2P型半导体试样（a）（b）图(1)样品示意图在此力的作用下，载流子发生偏移，形成相应的附加电场—霍尔电场，相应的

2、电压称为霍尔电压。电场的指向取决于试样的导电类型。载流子将受一个与方向相反的横向电场力：,当设试样的宽度为，厚度为，载流子浓度为，则电流强度与的关系为则：称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出VH（伏）以及Is（安）、B（高斯）和d（厘米）可按下式计算RH(厘米3／库仑):注：磁感应强度的大小与励磁电流的关系由制造厂家给定并标明在实验仪上。当和已知，聊城大学基础物理实验室式中比例系数称为霍尔元件灵敏度，它表示该器件在单位工作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压。（1）根据B和IS的方向及VH的符号，判断导电类型；（2）可测量出VH、IS、B（由

3、IM求得），可求出KH、RH、n；（3）可由测电导率；（4）由得，，由求载流子迁移率(即单位电场下的平均飘逸速率)。要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大，（即迁移率高、电阻率亦较高）的材料。就金属导体而言，和均很低，而不良导体虽高，但极小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件。半导体高，适中，是制造霍尔器件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔器件都采用N型材料，其次,霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔器件的输出电压较片状要高得多。由于霍尔效应的建立所需时间很短（约10-12—10-14s），因此使用霍尔元

4、件时用直流电或交流电均可。根据可进一步确定材料的导电类型和载流子浓度n，霍尔法测磁场：中，当材料的RH、d、IS已知时，可根据VH测量B。特斯拉计就是根据这一原理制成的。用霍尔法测量螺线管轴线上的磁场：关系曲线，并与理论曲线对比，验证毕奥-萨伐尔定律。分析误差来源。三、实验内容聊城大学基础物理实验室1.了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求；2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量并绘制试样的和曲线;3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。4.用霍尔法测螺线管轴线上的磁场分布。四、测量数据及数据处理1.根据B和IS的方向及VH的符号，判断导电类

5、型；1.保持IM=0.6A，描绘VH－Is曲线，由斜率可得霍尔灵敏度KH；根据求霍尔系数RH；求载流子浓度n；Is(mA)V1（mV）V2（mV）V3（mV）V4（mV）+Is﹑+B+Is﹑-B-Is﹑-B-Is、+B1.001.502.002.503.004.002.测绘VH－IM曲线，看VH与磁场B间的关系，根据实验结论，说明霍尔法测量磁场的原理保持Is＝3.00mA不变，改变IS测量VH，描绘VH－IM曲线。IM(A)V1(mV)V2（mV）V3（mV）V4（mV）+Is﹑+B+Is﹑-B-Is﹑-B-Is、+B0.3000.4000.5000.6000.7

6、000.8003.求电导率s，载流子迁移率m（写出求m的公式）。4.霍尔法测螺线管内磁场分布，验证毕奥-萨伐尔定律。五、训练的基本方法与技能霍尔效应，霍尔法测磁场。六、教学重点及难点重点：霍尔电压的测量难点：霍尔片方向的调整。七、思考题及参考答案1.列出霍尔系数RH、载流子浓度n、电导率s、迁移率m的计算公式，并注明单位。聊城大学基础物理实验室提示：；；；2.如何根据IS和B的方向判断导电类型。3.在什么材料中霍尔效应明显，为什么？为什么霍尔片要做成薄片状？提示：N型半导体材料中霍尔效应明显。由，半导体迁移率高、电阻率适中，RH较大。由，做成薄片霍尔灵敏度高。4.

7、有哪些附加效应，怎样消除。提示：有厄廷豪森（Etinghausen）效应；能斯脱（Nernst）效应；里纪-勒杜克（Ligni-Leduc）效应；不等位效应。除厄廷豪森效应外，其他都能采用对称测量法来消除。八、评分标准1、实验预习报告占20%实验原理应介绍霍尔效应的产生过程，各测量量的计算公式。实验步骤能较详细的介绍实际的测量过程。2、课堂表现占30%按时上课10分（迟到扣10分）；课前预习10分；实验过程认真，爱护仪器，实验结束后实验台整齐10分。3、实验报告占50%测量数据及单位正确；数据处理正确；实验结论明确；回答思考题。