1、黑龍江大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)室黑龍江大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)室霍爾霍爾（ A.H.Hall ） 霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾（霍爾（A.H.Hall，18551938）于于1879年在美國霍普金斯大學(xué)年在美國霍普金斯大學(xué)讀研究生期間讀研究生期間,研究關(guān)于載流導(dǎo)研究關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場中的受力性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)體在磁場中的受力性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。的一種現(xiàn)象。A.H.Hall（18551938） 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)（Hall effect ） 如果在一塊矩形半導(dǎo)如果在一塊矩形半導(dǎo)體薄片上沿體薄片上沿x軸方向通以電軸方向通以電流，在流，在z軸方向上加磁場軸方向上加磁場 ，則在垂直于電流和磁場的則在垂直于

2、電流和磁場的方向（即方向（即y 軸方向）上產(chǎn)生軸方向）上產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱為電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱為霍霍爾效應(yīng)爾效應(yīng),所產(chǎn)生的電壓稱為所產(chǎn)生的電壓稱為霍爾電壓霍爾電壓。xyzISBVHB霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)（Hall effect ）IS半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：N型型載流子是電子；載流子是電子；P型型載流子是空穴載流子是空穴有一有一N型半導(dǎo)體薄片：厚為型半導(dǎo)體薄片：厚為d，寬為，寬為b，AC電極間距為電極間距為lBISBvmFAeFCACHEVdblmVme FvB洛倫茲力洛倫茲力霍爾電場霍爾電場霍爾電壓霍爾電壓HEHV0AAV0AAV0HV0meFF動(dòng)態(tài)平衡時(shí)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體xyz電場力電

3、場力eHeFE-測量霍爾電壓測量霍爾電壓ISBISBACACmV實(shí)驗(yàn)中的副效應(yīng)：u不等勢(shì)電壓V0u厄廷豪森效應(yīng)VEu能斯特效應(yīng)VNu里紀(jì)-勒杜克效應(yīng)VRL副效應(yīng)的消除方法用對(duì)稱測量法測量+B,+IS VAA=V1-B,+IS VAA=V2-B,-IS VAA=V3+B,-IS VAA=V412344HV V V VV xyzVAA儀器介紹儀器介紹紅黃白橙NC黑ADACEVxyz霍爾片IS輸入+IS-IS霍爾片輸出VHVVHV+ +- -mV+ +- -霍爾效應(yīng)測試儀霍爾效應(yīng)測試儀S HVH V（mV）IS （mA） IM(A）IS調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)IM調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)IS輸出輸出IM輸出輸出VH V輸入輸入-3

4、.21 .123儀器介紹儀器介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容保持保持IM值不變值不變,（?。ㄈM =0.600A），改變），改變IS，測量，測量VH，用最小，用最小二乘法處理數(shù)據(jù)，計(jì)算霍爾系數(shù)二乘法處理數(shù)據(jù)，計(jì)算霍爾系數(shù)RH ，計(jì)算載流子濃度計(jì)算載流子濃度n。u電磁鐵電磁鐵勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流 ， 電磁鐵常數(shù)電磁鐵常數(shù)電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的國際單位：特斯拉的國際單位：特斯拉T，單位換算，單位換算0()MBB IkGS0*/BkGS AMI4110GSTSHHI BVRdRH 霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)1.測量霍爾電壓測量霍爾電壓,計(jì)算霍爾系數(shù)計(jì)算霍爾系數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.測測AC間電壓間電壓 ，計(jì)算

5、電導(dǎo)率，計(jì)算電導(dǎo)率 ，遷移率遷移率 。u將實(shí)驗(yàn)儀將實(shí)驗(yàn)儀“VH 輸出輸出”開關(guān)倒向開關(guān)倒向 ，在零磁場下（怎樣獲得零磁場？），在零磁場下（怎樣獲得零磁場？），取取 ，測量，測量 。 注意注意:IS取值不要大于取值不要大于0.20mA，以免，以免過大，毫伏表超量程。過大，毫伏表超量程。VV0.20SImAVSIVV紅黃白橙NC黑ADACEV霍爾片輸出VHVVHV+ +- -mV數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理l記錄記錄B0、IM，計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度，計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度B (計(jì)算過程計(jì)算過程)。l記錄霍爾片幾何參量記錄霍爾片幾何參量b、d、l(122頁頁)。l用用最小二乘法最小二乘法處理數(shù)據(jù)，記錄截距處理數(shù)據(jù)，記錄截距A

6、，斜率，斜率B，相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)r。l用用斜率斜率B計(jì)算霍爾系數(shù)計(jì)算霍爾系數(shù)RH。l判斷材料的導(dǎo)電類型（判斷材料的導(dǎo)電類型（N型型P型）。型）。HSVB ISHHI BVRd?B ?HR數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理l計(jì)算計(jì)算載流子濃度載流子濃度（單位體積內(nèi)含有載流子的個(gè)數(shù)，單位（單位體積內(nèi)含有載流子的個(gè)數(shù)，單位 ）l計(jì)算計(jì)算電導(dǎo)率電導(dǎo)率（描述物體的導(dǎo)電能力，是電阻率的倒數(shù)。單位：西門子（描述物體的導(dǎo)電能力，是電阻率的倒數(shù)。單位：西門子/米米(S/m)）l計(jì)算計(jì)算遷移率遷移率（是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移（是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運(yùn)動(dòng)

7、速度的大小的量度，運(yùn)動(dòng)得快，遷移率速度，即載流子在電場作用下運(yùn)動(dòng)速度的大小的量度，運(yùn)動(dòng)得快，遷移率大；運(yùn)動(dòng)得慢，遷移率小。單位大；運(yùn)動(dòng)得慢，遷移率小。單位 ）318HnR e |SI lVbdne191.6022 10eC2/()mV s 3m注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)l霍爾片性脆易碎，電極甚細(xì)易斷，嚴(yán)禁撞擊或用手觸摸，否則易遭損壞。霍爾片性脆易碎，電極甚細(xì)易斷，嚴(yán)禁撞擊或用手觸摸，否則易遭損壞。在需要調(diào)節(jié)霍爾片位置時(shí)，必須謹(jǐn)慎，切勿隨意改變?cè)谛枰{(diào)節(jié)霍爾片位置時(shí)，必須謹(jǐn)慎，切勿隨意改變Y軸方向的高度，以軸方向的高度，以免霍爾片與磁極面摩擦而受損。免霍爾片與磁極面摩擦而受損。 l決不允許將決不允許將“I

8、M輸出輸出”接到接到“IS輸入輸入”或或“VH、V輸出輸出”處，否則，處，否則，一旦通電，霍爾樣品即遭損壞。一旦通電，霍爾樣品即遭損壞。 l測量測量V時(shí)，時(shí)， IS不宜過大，以免數(shù)字電壓表超量程，通常不宜過大，以免數(shù)字電壓表超量程，通常IS取為取為0.2mA左右。左右。3mAyB x 22x yxyBxx2222()()xyx yrxxyy相關(guān)系數(shù)斜率截距如果相關(guān)系數(shù)|r|趨于1，說明VH和IS線性關(guān)系好，截距A趨于0，說明VH和IS是正比關(guān)系，有因?yàn)镠SVB ISHHI BVRd?HR返回返回返回返回霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)（Hall effect ）xyzISP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體BISBvmFAe

9、FCACHEmV0HV返回返回 不等勢(shì)電壓是由于霍爾元件的材料本身不均勻，以及電壓輸入端AA引線在制作時(shí)不可能絕對(duì)對(duì)稱地焊接在霍爾片的兩側(cè)。因此，當(dāng)電流 流過霍爾元件時(shí)，在電極AA間也具有電勢(shì)差，記為 ，其方向只隨 方向不同而改變，與磁場方向無關(guān)。因此， 可通過改變 方向予以消除。0VSIBISAA0VSI返回返回SI返回返回 1887年厄廷豪森發(fā)現(xiàn)，由于載流子的速度不相等，它們?cè)诖艌龅淖饔孟?，速度大的受到的洛侖茲力大，繞大圓軌道運(yùn)動(dòng)，速度小則繞小圓軌道運(yùn)動(dòng)，這樣導(dǎo)致霍爾元件的一端較另一端具有較多的能量而形成一個(gè)橫向的溫度梯度。因而產(chǎn)生溫差效應(yīng)，形成電勢(shì)差，記為 ，其方向取決于 和 的方向?？膳袛喑?和 始終同向。EVEVBSIHV返回返回 由圖所示由于輸入電流端引線D、E點(diǎn)處的電阻不相等，通電后發(fā)熱程度不同，使D和E兩端之間出現(xiàn)熱擴(kuò)散電流，在磁場的作用下，在A、A兩端出現(xiàn)橫向電場，由此產(chǎn)生附加電勢(shì)差，記為 。其方向與 無關(guān)，只隨磁場方向而變。BDAAENVSIHV 由于熱擴(kuò)散電流的載流子的遷移率不同，類似于厄廷豪森效應(yīng)中載流子速度不同一樣，也將形成一個(gè)橫向的溫度梯度，產(chǎn)生附加電勢(shì)差，記為 ，其方向只與磁場方向有關(guān)，與 同向。返回返回RLV取 +B、+ 測得取