近代物理實驗

變溫霍爾效應高惠平河南大學物理與電子學院內容介紹霍爾效應變溫霍爾效應實驗

一.

實驗目的二.儀器介紹三.實驗原理

四.實驗內容五.注意事項六.思考題霍爾效應1.發(fā)現(xiàn)1879年，霍耳（E.T.Hall）在研究通有電流的導體在磁場中的受力情況時，發(fā)現(xiàn)在垂直于磁場和電流的方向上產(chǎn)生了電動勢，這個效應稱為“霍爾效應（Halleffect)”。

2.背景：當時，還沒有發(fā)現(xiàn)電子，金屬導電的機理也不清楚?；魻栕⒁獾絻纱笾锢韺W家關于一個問題的分歧：英國物理學家麥克斯韋在《電磁學》中寫到：瑞典物理學家埃德隆在一篇文章中講到：

我們必須記住，推動載流導體切割磁力線的力不是作用在電流上…，在導線中，電流的本身完全不受磁鐵接近或其它電流的影響。磁鐵作用在固態(tài)導體中的電流上，恰如作用在自由運動的導體上一樣。真的是這樣嗎？難道是這樣？3.向導師羅蘭(H.A.Rowland)教授請教，得到支持。4.設計實驗進行研究。

有電流產(chǎn)生！！未觀察到任何現(xiàn)象5.反復實驗得出結論：

霍爾電壓U與電流I和磁感應強度B成正比，與板的厚度d成反比。其公式為：

RH：比例常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)，由導體材料的性質（載流子的濃度等）決定。6.霍爾的論文“論磁鐵對電流的新作用”

在《美國數(shù)學雜志》上發(fā)表，引起廣泛關注！

新聞界：“過去５０年中電學方面最重要的發(fā)現(xiàn)”開爾文：“霍耳的發(fā)現(xiàn)可和法拉第的電磁學相比擬”

此后，反常霍爾效應、量子霍爾效應、分數(shù)量子霍爾效應、自旋霍爾效應和軌道霍爾效應等相繼被發(fā)現(xiàn)。其中量子霍爾效應和分數(shù)量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)者分別在1985年和2019年獲得諾貝爾獎。事實上，在霍爾發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象之前，英國物理學家洛奇也曾有類似想法，但懾于麥克斯韋的權威，放棄了實驗。

啟示錄在科學的道路上，不僅要有細致入微的洞察力，持之以恒的毅力，更加需要有不懼怕權威、追求真理的勇氣和信心！

變溫霍爾效應實驗霍爾效應的測量是研究半導體性質的重要實驗方法。利用霍爾效應，可以確定半導體的導電類型和載流子濃度，利用霍爾系數(shù)和電導率的聯(lián)合測量，可以用來研究半導體的導電機構(本征導電和雜質導電)和散射機構(晶格散射和雜質散射)，進一步確定半導體的遷移率、禁帶寬度、雜質電離能等基本參數(shù)。測量霍爾系數(shù)隨溫度的變化，可以確定半導體的禁帶寬度、雜質電離能及遷移率的溫度特性。根據(jù)霍爾效應原理制成的霍爾器件，可用于磁場和功率測量，也可制成開關元件，在自動控制和信息處理等方面有著廣泛的應用。一.實驗目的1．了解半導體中霍爾效應的產(chǎn)生原理，霍爾系數(shù)表達式的推導及其副效應的產(chǎn)生和消除。2．掌握霍爾系數(shù)和電導率的測量方法。通過測量數(shù)據(jù)處理判別樣品的導電類型，計算室溫下所測半導體材料的霍爾系數(shù)、電導率、載流子濃度和霍爾遷移率。3．掌握動態(tài)法測量霍爾系數(shù)及電導率隨溫度的變化，作出RH～1/T，δ～1/T曲線，了解霍爾系數(shù)和電導率與溫度的關系。4．了解霍爾器件的應用，理解半導體的導電機制。二.儀器介紹變溫霍爾實驗儀磁場及控制電源電磁鐵恒溫器特斯拉計保溫杯計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及軟件等三.實驗原理半導體內的載流子（電子和空穴）產(chǎn)生機構：本征激發(fā)和雜質電離

不受外來雜質的影響由半導體本身靠熱激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴的過程，稱為本征激發(fā)。P型半導體

在純凈的第IV族元素半導體(硅、鍺等）材料中，摻入微量III族元素（如硼或鋁等）或V族元素（磷、砷等）雜質，稱為半導體摻雜。摻雜后的半導體在室溫下的導電性能主要由淺雜質決定。

第III族原子硼在晶體中取代部分硅原子組成共價鍵時，從鄰近硅原子價鍵上奪取一個電子成為負離子，而在鄰近失去一個電子的硅原子價鍵上產(chǎn)生一個空穴。這樣滿帶中電子就激發(fā)到禁帶中的雜質能級上，使硼原子電離成硼離子，而在滿帶中留下空穴參與導電，這種過程稱為雜質電離。這樣的雜質叫做受主雜質，由受主雜質電離而提供空穴導電為主的半導體材料稱為p型半導體。向半導體提供一個自由電子而本身成為正離子的雜質稱為施主雜質，以施主雜質電離提供電子導電為主的半導體材料叫做n型半導體。n型半導體2.霍爾效應和霍爾系數(shù)霍爾效應的本質是：固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發(fā)生偏移，并在材料兩側產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩(wěn)定的電勢差即霍爾電壓。n型：P型：電子空穴混合導電：3.霍爾系數(shù)與溫度的關系

曲線A、B分別表示n型和p型半導體的霍爾系數(shù)隨溫度的變化曲線4.半導體的電導率

P型半導體的電導率與溫度的關系5．霍爾效應中的副效應及其消除在霍爾系數(shù)的測量中，會伴隨一些熱磁副效應、電極不對稱等因素引起的附加電壓疊加在霍爾電壓ＵH上。（1）愛廷豪森（Ettinghausen）效應ＵE（2）能斯脫（Nernst）效應ＵN（3）里紀-勒杜克（Righi-Ledue）效應ＵRL（4）電極位置不對稱產(chǎn)生的電壓降Ｕ0和ＵT改變I和B的方向，使ＵN、ＵRL、Ｕ0和ＵT從計算結果中消除，然而ＵE卻因與I、B方向同步變化而無法消除，但ＵE引起的誤差很小，可以忽略。四.實驗內容1．測量室溫下鍺樣品的霍爾系數(shù)和電導率2．變溫霍爾系數(shù)及電導率的測量3．數(shù)據(jù)處理a.判斷樣品的導電類型。b.計算室溫下的霍爾系數(shù)及電導率，并計算樣品的載流子濃度，霍爾遷移率。c.由變溫測量的數(shù)據(jù)，作出以下幾條隨溫度化的曲線：

定性說明之。由曲線求出禁帶寬度Ｅg。五.注意事項1.經(jīng)常檢查并保證儀器電接地正常。2.濕手不能觸及過冷表面、液氮漏斗，防止皮膚凍粘在深冷表面上，造成嚴重凍傷！灌液氮時應帶厚棉手套。如發(fā)生凍傷，請立即用大量自來水沖洗，并按燙傷處理。3.實驗完畢，一定要拿出中心桿，防止熱膨脹漲壞套筒。

六.思考題１．分別以p型、n型半導體樣品為例，說明如何確定霍爾電場的方向。