實(shí)驗(yàn)3霍爾效應(yīng)霍爾法測量磁場

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1、聊城大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)3霍爾效應(yīng)霍爾法測量磁場通過實(shí)驗(yàn)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)。若能測量霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系，還可以求出半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)電離能和材料的禁帶寬度。一、基本教學(xué)要求1．掌握霍爾效應(yīng)；2．了解特斯拉計(jì)的原理；二、實(shí)驗(yàn)原理霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。試樣中載流子（電子）將受洛侖茲力：圖2-18-1N型半導(dǎo)體試樣圖2-18-2P型半導(dǎo)體試樣（a）（b）圖(1)樣品示意圖在此力的作用下，載流子發(fā)生偏移，形成相應(yīng)的附加電場—霍爾電場，相應(yīng)的

2、電壓稱為霍爾電壓。電場的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。載流子將受一個(gè)與方向相反的橫向電場力：,當(dāng)設(shè)試樣的寬度為，厚度為，載流子濃度為，則電流強(qiáng)度與的關(guān)系為則：稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。只要測出VH（伏）以及Is（安）、B（高斯）和d（厘米）可按下式計(jì)算RH(厘米3／庫侖):注：磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與勵(lì)磁電流的關(guān)系由制造廠家給定并標(biāo)明在實(shí)驗(yàn)儀上。當(dāng)和已知，聊城大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)室式中比例系數(shù)稱為霍爾元件靈敏度，它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。（1）根據(jù)B和IS的方向及VH的符號，判斷導(dǎo)電類型；（2）可測量出VH、IS、B（由

3、IM求得），可求出KH、RH、n；（3）可由測電導(dǎo)率；（4）由得，，由求載流子遷移率(即單位電場下的平均飄逸速率)。要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是要選擇霍爾系數(shù)大，（即遷移率高、電阻率亦較高）的材料。就金屬導(dǎo)體而言，和均很低，而不良導(dǎo)體雖高，但極小，因而上述兩種材料的霍爾系數(shù)都很小，不能用來制造霍爾器件。半導(dǎo)體高，適中，是制造霍爾器件較理想的材料，由于電子的遷移率比空穴的遷移率大，所以霍爾器件都采用N型材料，其次,霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍爾器件的輸出電壓較片狀要高得多。由于霍爾效應(yīng)的建立所需時(shí)間很短（約10-12—10-14s），因此使用霍爾元

4、件時(shí)用直流電或交流電均可。根據(jù)可進(jìn)一步確定材料的導(dǎo)電類型和載流子濃度n，霍爾法測磁場：中，當(dāng)材料的RH、d、IS已知時(shí)，可根據(jù)VH測量B。特斯拉計(jì)就是根據(jù)這一原理制成的。用霍爾法測量螺線管軸線上的磁場：關(guān)系曲線，并與理論曲線對比，驗(yàn)證畢奧-薩伐爾定律。分析誤差來源。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容聊城大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)室1.了解霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理以及有關(guān)霍爾元件對材料要求；2．學(xué)習(xí)用“對稱測量法”消除副效應(yīng)的影響，測量并繪制試樣的和曲線;3．確定試樣的導(dǎo)電類型、載流子濃度以及遷移率。4.用霍爾法測螺線管軸線上的磁場分布。四、測量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理1.根據(jù)B和IS的方向及VH的符號，判斷導(dǎo)電類

5、型；1.保持IM=0.6A，描繪VH－Is曲線，由斜率可得霍爾靈敏度KH；根據(jù)求霍爾系數(shù)RH；求載流子濃度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.測繪VH－IM曲線，看VH與磁場B間的關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，說明霍爾法測量磁場的原理保持Is＝3.00mA不變，改變IS測量VH，描繪VH－IM曲線。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.求電導(dǎo)率s，載流子遷移率m（寫出求m的公式）。4.霍爾法測螺線管內(nèi)磁場分布，驗(yàn)證畢奧-薩伐爾定律。五、訓(xùn)練的基本方法與技能霍爾效應(yīng)，霍爾法測磁場。六、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)重點(diǎn)：霍爾電壓的測量難點(diǎn)：霍爾片方向的調(diào)整。七、思考題及參考答案1.列出霍爾系數(shù)RH、載流子濃度n、電導(dǎo)率s、遷移率m的計(jì)算公式，并注明單位。聊城大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)室提示：；；；2.如何根據(jù)IS和B的方向判斷導(dǎo)電類型。3.在什么材料中霍爾效應(yīng)明顯，為什么？為什么霍爾片要做成薄片狀？提示：N型半導(dǎo)體材料中霍爾效應(yīng)明顯。由，半導(dǎo)體遷移率高、電阻率適中，RH較大。由，做成薄片霍爾靈敏度高。4.

7、有哪些附加效應(yīng)，怎樣消除。提示：有厄廷豪森（Etinghausen）效應(yīng)；能斯脫（Nernst）效應(yīng)；里紀(jì)-勒杜克（Ligni-Leduc）效應(yīng)；不等位效應(yīng)。除厄廷豪森效應(yīng)外，其他都能采用對稱測量法來消除。八、評分標(biāo)準(zhǔn)1、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告占20%實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)介紹霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生過程，各測量量的計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)步驟能較詳細(xì)的介紹實(shí)際的測量過程。2、課堂表現(xiàn)占30%按時(shí)上課10分（遲到扣10分）；課前預(yù)習(xí)10分；實(shí)驗(yàn)過程認(rèn)真，愛護(hù)儀器，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后實(shí)驗(yàn)臺整齊10分。3、實(shí)驗(yàn)報(bào)告占50%測量數(shù)據(jù)及單位正確；數(shù)據(jù)處理正確；實(shí)驗(yàn)結(jié)論明確；回答思考題。