霍尔实验预习报告

实验名称：静电场的模拟测绘                       试验时间：2010 - 10- 25

  学生姓名：xxx                             院    系：理学院物理系

  专    业：xxxx2009级01班

  学    号： xxxxxxxxxxx

一：实验目的

1：了解霍尔效应的基本原理。

2：学习用霍尔效应测量磁场。

3：学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的Vh-Is和Vh-Im曲线。

二：实验仪器

TH—H型霍尔效应组合仪

三：实验原理

1．霍尔效应

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。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。如图15-1所示的半导体试样，若在X方向通以电流，在Z方向加磁场，则在Y方向即试样 A-A/  电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图15-1（a）所示的N型试样，霍尔电场逆Y方向，（b）的P型试样则沿Y方向。即有

显然，霍尔电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力与洛仑兹力相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故

                                  （15-1）             

其中为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n ，则

                                             (15-2) 

由（15-1）、（15-2）两式可得：

                             (15-3)

即霍尔电压（A 、A／电极之间的电压）与乘积成正比与试样厚度成反比。比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出（伏）以及知道（安）、（高斯）和（厘米）可按下式计算（厘米3／库仑）：

RH＝                        （15-4）            

上式中的10是由于磁感应强度用电磁单位（高斯）而其它各量均采用CGS实用单位而引入。

2．用霍尔效应法测量电磁铁的磁场

测量磁场的方法很多，如磁通法、核磁共振法及霍尔效应法等。其中霍尔效应法用半导体材料构成霍尔片作为传感元件，把磁信号转换成电信号，测出磁场中各点的磁感应强度。能测量交、直流磁场，是其最大的优点。以此原理制成的特斯拉计能简便、直观、快速地测量磁场。

电路如图3－14－2所示。直流电源E1为电磁铁提供励磁电流IM，通过变阻器R1，可以调节IM的大小。电源E2通过可变电阻R2（用电阻箱）为霍尔元件提供电流IH，当E2电源为直流时，用直流毫安表测霍尔电流，用数字万用表测霍尔电压；当E2为交流时，毫安表和毫伏表都用数字万用表。

半导体材料有N型（电子型）和P型（空穴型）两种，前者载流子为电子，带负电；后者载流子为空穴，相当于带正电的粒子。由图3－14－1可以看出，若载流子为电子则4点电位高于3点电位，UH3,4<0；若载流子为空穴则4点电位低于3点的，电位UH3,4>0，如果知道载流子类型则可以根据UH的正负定出待测磁场的方向。

由于霍尔效应建立电场所需时间很短（约10－12～10－14s），因此通过霍尔元件的电流用直流或交流都可以。若霍尔电流IH为交流IH＝I0sinωt，则 

                                        （3－14－6）

所得的霍尔电压也是交变的。在使用交流电情况下（3－14－5）式仍可使用，只是式中的IH和UH应理解为有效值。

3．消除霍尔元件副效应的影响

在实际测量过程中，还会伴随一些热磁副效应，它使所测得的电压不只是UH，还会附加另外一些电压，给测量带来误差。

四：实验内容及数据记录

仔细阅读本实验仪使用说明书后，按图（2）连接测试仪和实验仪之间相应的Is、VH和IM各组连线，Is及IM 换向开关投向上方，表明Is及IM均为正值（即Is沿X方向，B沿Z方向），反之为负值。VH、Vσ切换开关投向上方测VH，投向下方测Vσ。经教师检查后方可开启测试仪的电源。

图（2）  霍尔效应实验仪示意图

注意：严禁将测试仪的励磁电源“IM输出”误接到实验仪的“Is输入”或“VH、Vσ输出”处，否则一旦通电，霍尔元件即遭损坏！

为了准确测量，应先对测试仪进行调零，即将测试仪的“Is调节”和“ IM调节”旋钮均置零位，待开机数分钟后若VH显示不为零，可通过面板左下方小孔的“调零”电位器实现调零，即“0.00”。转动霍尔元件探杆支架的旋钮X、Y，慢慢将霍尔元件移到螺线管的中心位置。

    1．测绘VH－Is曲线

    将实验仪的“VH、Vσ”切换开关投向VH侧，测试仪的“功能切换”置VH。

    保持IM值不变（取IM＝0.6A），测绘VH－Is曲线，记入表1中，并求斜率，代入（6）式求霍尔系数RH，代入（7）式求霍尔元件灵敏度KH。

    表1   IM＝0.600A   Is取值：1.00-4.00 mA。

Is

    实验仪及测试仪各开关位置同上。

    保持Is值不变，（取Is＝3.00mA），测绘VH－Is曲线，记入表2中。

    表2   Is＝3.00mA  IM取值：0.300-0.800A。

  IM

    将“VH、Vσ”切换开关投向Vσ侧，测试仪的“功能切换”置Vσ。

    在零磁场下，取Is＝2.00mA，测量Vσ。

    注意：Is取值不要过大，以免Vσ太大，毫伏表超量程（此时首位数码显示为1，后三位数码熄灭）。

    4．确定样品的导电类型

将实验仪三组双刀开关均投向上方，即Is沿X方向，B沿Z方向，毫伏表测量电压为VAA´。

    取Is＝2mA，IM＝0.6A，测量VH大小及极性，判断样品导电类型。

    5．求样品的RH、n、σ和 µ 值。  

五：注意事项

1．霍尔片又薄又脆，切勿用手摸。

2．霍尔片允许通过电流很小，切勿与励磁电流接错！

3．电磁铁通电时间不要过长，以防电磁铁线圈过热影响测量结果。

六：数据处理

图一：Vh-Is曲线

所以：Rh=-2.75

图二：Vh-Is曲线