霍尔效应的应用(实验报告)

一、实验目的

1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。

   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VH－IS和VH－IM曲线。                                                                                                                                                        

   3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。

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。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的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。若在X方向的电极D、E上通以电流Is，在Z方向加磁场B，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力：                                              

N型半导体的多数载流子为电子，P型半导体的多数载流子为空穴。对N型试样，霍尔电场逆Y方向，P型试样则沿Y方向，有

                   显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，试样中载流子将受一个与Fg方向相反的横向电场力：              FE=eEH                  

其中EH为霍尔电场强度。

FE随电荷积累增多而增大，当达到稳恒状态时，两个力平衡，即载流子所受的横向电场力e EH与洛仑兹力    相等，样品两侧电荷的积累就达到平衡，

，只要测出VH（伏）以及知道Is（安）、B（高斯）和d（厘米）可按下式计算RH（厘米3／库仑）。

                                              由RH求载流子浓度n

由比例系数        得，         。

3．结合电导率的测量，求载流子的迁移率μ

    电导率σ与载流子浓度n以及迁移率μ之间有如下关系：

            σ＝n eμ                          

由比例系数        得，μ＝|RH|σ，通过实验测出σ值即可求出μ。

三．实验步骤

1. 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。

 2. 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”。

3. 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。

4．测绘VH－Im曲线。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。

  测量Vσ值

    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）。

  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。

7．求样品的RH、n、σ和 µ 值。

四．数据处理

1．测绘VH－Is曲线

    表1   IM＝0.6A   Is取值：1.00-4.00 mA。

Is

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

  IM

4. VH＝-7.13mV<0,所以为N型

有图可得B RH1/d=-3.56得RH1=-8.67 *10^6cm ^3.c

和由0.1xIs RH2/d=-17.得RH2=-8.69 *10^6cm ^3.c

测绘VH－Is曲线

测绘VH－Im曲线

由上面可得平均RH=-8.68 *10^6cm3.c

             n=1/( |RH|*e) =7.2*10^11 个/cm3

           =10.41 mA/mV*cm2 

μ＝|RH|σ= 9.03*10^7 mA/mV*c

五．思考题：

如已知霍尔样品的工作电流Is及磁感应强度B的方向，如何判断样品的导电类型？

答： 由RH 的符号（或霍尔电压的正、负）判断试样的导电类型 判断的方法是按图（1）所示的Is和B的方向，若测得的VH＝VAA＇＜0，（即点A的电位低于点A´的电位）则RH 为负，样品属N型，反之则为P型。