大学物理实验——霍尔效应.ppt

霍霍尔尔效效应实验应实验黑黑龙龙江大学普通物理江大学普通物理实验实验室室1.霍霍尔尔（A.H.Hall）霍霍尔尔效效应应是美国物理学家是美国物理学家霍霍尔尔（A.H.Hall，18551938）于）于1879年在美国霍普金年在美国霍普金斯大学斯大学读读研究生期研究生期间间,研究关于研究关于载载流流导导体在磁体在磁场场中的受力性中的受力性质质时发现时发现的一种的一种现现象。象。A.H.Hall（18551938）2.霍霍尔尔效效应应（Hall effect）如如果果在在一一块块矩矩形形半半导导体体薄薄片片上上沿沿x轴轴方方向向通通以以电电流流，在在z轴轴方方向向上上加加磁磁场场 ，则则在在垂垂直直于于电电流流和和磁磁场场的的方方向向（即即y 轴轴方方向向）上上产产生生电电势势差差，这这一一现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应,所所产产生生的的电电压压称称为为霍霍尔尔电压电压。xyzISVH3.霍霍尔尔效效应应（Hall effect）IS半半导导体：体：N型型载载流子是流子是电电子；子；P型型载载流子是空穴流子是空穴有一有一N型半型半导导体薄片：厚体薄片：厚为为d，宽为宽为b，AC电电极极间间距距为为lISmV洛洛伦兹伦兹力力霍霍尔尔电场电场霍霍尔尔电压电压动态动态平衡平衡时时P型半型半导导体体xyz电场电场力力-4.测测量霍量霍尔尔电压电压ISISmV实验中的副效应：u不等势电压V0u厄廷豪森效应VEu能斯特效应VNu里纪-勒杜克效应VRL副效应的消除方法用对称测量法测量+B,+IS VAA=V1-B,+IS VAA=V2-B,-IS VAA=V3+B,-IS VAA=V4xyzVAA5.仪仪器介器介绍绍xyz霍尔片IS输入+IS-IS霍尔片输出VHVH+-mV+-6.霍霍尔尔效效应测试仪应测试仪S HVH V（mV）IS（mA）IM(A）IS调节调节IM调节调节IS输输出出IM输输出出VH V输输入入-3.21 .123仪仪器介器介绍绍7.实验实验内容内容保保持持IM值值不不变变,（取取IM=0.600A），改改变变IS，测测量量VH，用用最最小小二乘法二乘法处处理数据，理数据，计计算霍算霍尔尔系数系数RH，计计算算载载流子流子浓浓度度n。u电电磁磁铁铁励磁励磁电电流流 ，电电磁磁铁铁常数常数电电磁磁铁铁磁感磁感应应强强度度 B的国的国际单际单位：特斯拉位：特斯拉T，单单位位换换算算RH 霍霍尔尔系数系数1.测测量霍量霍尔尔电压电压,计计算霍算霍尔尔系数系数8.实验实验内容内容2.测测AC间间电电压压 ，计计算算电电导导率率 ，迁移率迁移率 。u将将实实验验仪仪“VH 输输出出”开开关关倒倒向向 ，在在零零磁磁场场下下（怎怎样样获获得得零零磁磁场场？），取取 ，测测量量 。注注意意:IS取取值值不不要要大大于于0.20mA，以以免免过过大，毫伏表超量程。大，毫伏表超量程。()()()()霍尔片输出VHVH+-mV9.数据数据处处理理l记录记录B0、IM，计计算磁感算磁感应应强强度度B(计计算算过过程程)。l记录记录霍霍尔尔片几何参量片几何参量b、d、l(122页页)。l用用最小二乘法最小二乘法处处理数据，理数据，记录记录截距截距A，斜率，斜率B，相关系数相关系数r。l用用斜率斜率B计计算霍算霍尔尔系数系数RH。l判断材料的判断材料的导电类导电类型（型（N型型P型）。型）。10.数据数据处处理理l计计算算载载流子流子浓浓度度（单单位体位体积积内含有内含有载载流子的个数，流子的个数，单单位位 ）l计计算算电电导导率率（描描述述物物体体的的导导电电能能力力，是是电电阻阻率率的的倒倒数数。单单位位：西西门门子子/米米(S/m)）l计计算算迁迁移移率率（是是指指载载流流子子（电电子子和和空空穴穴）在在单单位位电电场场作作用用下下的的平平均均漂漂移移速速度度，即即载载流流子子在在电电场场作作用用下下运运动动速速度度的的大大小小的的量量度度，运运动动得得快快，迁迁移移率率大；运大；运动动得慢，迁移率小。得慢，迁移率小。单单位位 ）11.注意事注意事项项l霍霍尔尔片片性性脆脆易易碎碎，电电极极甚甚细细易易断断，严严禁禁撞撞击击或或用用手手触触摸摸，否否则则易易遭遭损损坏坏。在在需需要要调调节节霍霍尔尔片片位位置置时时，必必须须谨谨慎慎，切切勿勿随随意意改改变变Y轴轴方方向向的的高高度度，以以免霍免霍尔尔片与磁极面摩擦而受片与磁极面摩擦而受损损。l决决不不允允许许将将“IM输输出出”接接到到“IS输输入入”或或“VH、V输输出出”处处，否否则则，一一旦旦通通电电，霍，霍尔尔样样品即遭品即遭损损坏。坏。l测测量量V时，IS不不宜宜过大大，以以免免数数字字电压表表超超量量程程，通通常常IS取取为0.2mA左右。左右。12.13.最小二乘法（直最小二乘法（直线拟线拟合合y=A+Bx）相关系数斜率截距如果相关系数|r|趋于1，说明VH和IS线性关系好，截距A趋于0，说明VH和IS是正比关系，有因为返回返回14.最小二乘法（直最小二乘法（直线拟线拟合合y=A+Bx）设设置状置状态态 MODE MODE 2 1MODE MODE 2 1清除内存清除内存 SHIFT AC =SHIFT AC =输输入数据入数据 x x1 1 ，y1 M+y1 M+x2 x2 ，y2 M+y2 M+x xn n ，yn M+yn M+截距截距AA SHIFT 7 =SHIFT 7 =2 2位，位，单单位位斜率斜率BB SHIFT 8 =SHIFT 8 =4 4位，位，单单位位相关系数相关系数r r SHIFT (=SHIFT (=保留至不保留至不为为9 9的数的数返回返回15.霍霍尔尔效效应应（Hall effect）xyzISP型半型半导导体体ISmV返回返回16.不等不等势电压势电压 不等势电压是由于霍尔元件的材料本身不均匀，以及电压输入端AA引线在制作时不可能绝对对称地焊接在霍尔片的两侧。因此，当电流 流过霍尔元件时，在电极AA间也具有电势差，记为 ，其方向只随 方向不同而改变，与磁场方向无关。因此，可通过改变 方向予以消除。IS返回返回17.厄廷豪森效厄廷豪森效应应返回返回 1887年厄廷豪森发现，由于载流子的速度不相等，它们在磁场的作用下，速度大的受到的洛仑兹力大，绕大圆轨道运动，速度小则绕小圆轨道运动，这样导致霍尔元件的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯度。因而产生温差效应，形成电势差，记为 ，其方向取决于 和 的方向。可判断出 和 始终同向。18.能斯特效能斯特效应应返回返回 由图所示由于输入电流端引线D、E点处的电阻不相等，通电后发热程度不同，使D和E两端之间出现热扩散电流，在磁场的作用下，在A、A两端出现横向电场，由此产生附加电势差，记为 。其方向与 无关，只随磁场方向而变。DE19.里里纪纪-勒杜克效勒杜克效应应 由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于厄廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度，产生附加电势差，记为 ，其方向只与磁场方向有关，与 同向。返回返回20.取+B、+测得取 B、+测得取 B、测得取+B、测得消去 、和 得因为 ，一般可忽略不计，所以副效副效应应的消除方法的消除方法返回返回21.