霍尔元件基本参数测量.doc

实验名称：霍尔组件基本参数测量
仪器与用具：TH-H霍尔效应实验组合仪
实验目的：1、了解霍尔效应实验原理 2、学习“对称法”消除副效应影响的方法 3、测量霍尔系数、确定样品导电类型、计算霍尔组件灵敏度等
实验报告内容（原理预习、操作步骤、数据处理、误差分析、思考题解答）
【实验原理】：
通有电流IS的半导体薄片置于与它垂直的磁场B中，在薄片的两测就会产生电势差UH—霍尔电势差，这种现象叫霍尔效应。
霍尔效应产生的原因，是因为形成电流的载流子在磁场中运动时，受到洛沦兹力F=qv×B的作用,正、负电荷在样品两测边界聚集，形成横向电场EH—霍尔电场，产生霍尔电势差UH。
载流子除受到洛沦兹力F=qv×B的作用外，还受横向电场力Fe=eEH的作用，当受到洛沦兹力与横向电场力大小相等时，即
eEH=qv×B (4.7.1)
样品两测边界聚集的电荷不再变化，达到平衡。
样品中电流强度： IS=nevbd ( 4.7.2)
样品中横向电场Eh可认为是匀强电场，则有：
UH=Ehb==RH （4.7.3）
基本参数：
1、 霍尔系数RH
霍尔系数定义： RH=
由材料的性质(载流子密度)决定,反映材料的霍尔效应强弱。
由（4.7.3）得
RH=
上式提供了测量霍尔系数RH的方法。
2、根据RH的符号判断样品导电类型N、P
半导体材料有N型和P型两种，将测的UH、IS、B带入
RH=
得数为正时，样品为P型半导体，得数为正时，样品为P型半导体。
3、件的灵敏度K
K=
霍尔元件的灵敏度K与载流子浓度n和样品厚度d有关，由于半导体内载流子浓度远小于金属，所以选用半导体材料制作霍尔元件，厚度一般只有0.2mm。
4、载流子浓度n n=
上式提供了用霍尔效应实验测量并计算载流子浓度的重要方法。
5、电导率σ，迁移率μ
　　　　σ=1/ρ=
6、消除霍尔元件副效应影响
实验中测量的霍尔元件两测的电势差U，除霍尔电势差UH外，还会有一些热磁副效应附加的一些电势差，这些附加电势差的方向与B、IS的方向有关，应用表4.7.1中对称测量法可基本消除这些影响。
【操作步骤】：
1、按仪器接口名称指示接好线路（注意不要接错，否则会损毁霍尔元件），IS、IM调节旋扭逆时针方向旋到底，开机预热几分钟。
2、调节IM=0.6A并保持不变, “功能切换”开关和中间铡刀开关分别扳向“UH”，IS分别取1.00mA 、1.50mA、2.00 mA 、2.50mA 、3.00mA 、3.50mA ，分别测出UH值，每组UH值IS、B方向进行4种组合，分别测出U1、U2、U3、U4值，填入表4.7.1中。
3、调节Is=0.6A并保持不变, “功能切换”开关和中间铡刀开关位置保持不变，IM分别取0.300A、0.400A、0.500A、0.600A、0.700A、0.800A时测出UH，测量数据记入表4.7.2中。
4、在零磁场下（IM输入开关空位），取Im=1.5mA, 中间铡刀开关置“Uσ”置，分别测量Is正、反方向的Uσ值，记入表4.7.3中。
【数据处理】：
表4.7.1 IM=0.6A
Is/mA
U1/mV
U2/mV
U3/mA
U4/mA
UH=U1－U2＋U3－U4／4
＋B＋Is
－B＋Is
－B－Is
＋B－Is
1.00
－4.05
＋3.96
－3.87
＋4.14
4.005
1.50
－6.13
＋5.95
－5.87
＋6.23
6.045
2.00
－8.18
＋7.91
－7.83
＋8.27
8.048
2.50
－10.23
＋9.87
－9.80

＋10.34
10.060
3.00
－12.31
＋11.86
－11.77
＋12.39
12.083
3.50
－14.35
＋13.81
－13.73
＋14.43
14.080

由上图：==4.023×10－3 RH1= =4.02×10－3=6.67×10－3

表4.7.2 Is=3.00mA
IM/A
U1/mV
U2/mV
U3/mA
U4/mA
UH=U1－U2＋U3－U4／4
＋B＋Is
－B＋Is
－B－Is
＋B－Is
0.300
－6.33
＋5.81
－5.73
＋6.35
6.055
0.400
－8.25
＋7.81
－7.73
＋8.35
8.035
0.500
－10.26
＋9.81
－9.73
＋.10.35
10.039
0.600
－12.28
＋11.84
－11.76
＋12.38
12.065
0.700
－14.28
＋13.84
－13.76
＋14.38
14.065
0.800
－16.30
＋15.84
－15.76
＋16.37
16.068

10—3 RH2=20.08×10—3=6.92×10－3
表4.7.3 Is=0.15mA
Is/mA
Uσ/mV
换向前
12.4
换向后
－12.5
平均
0.1
（1）霍尔系数RH
RH=6.795×10－3
（2）根据RH的符号判断样品导电类型N、P
（3）件的灵敏度 K
物理实验中心
实验名称：霍尔组件基本参数测量 姓名：李 昊 时间代码：0612109876
K=6.795×10－3/0.5×10－3　=13.59
（4）载流子浓度n
n==1/6.795×10－3×1.6×10－19=9.2×1020
（5）电导率σ
　　　　σ=1/ρ==0.15×10－3×3×10－　/0.1×10－3×4×10－3×0.5×10－3
=2.25×103（1/Ωm）
(6)迁移率μ
μ=RHσ=6.795×10－3×2.25×103=15.29（1/T）
【误差分析】
1、 测量仪器精度不够，部分数据只能显示2位有效数字，经运算后产生误差较大。
2、 做图时精度不够造成误差。
【思考题】
1、 霍尔电压是如何产生的？它的大小、正负与那些因素有关？
答：形成电流的载流子，在半导体薄片中运动时，受磁场的洛仑兹力作用，向薄片两测发生偏转，两测分别聚集正、副电荷，形成电场，从而产生电势差。
2、 列出霍尔系数、栽流子浓度、电导率及迁移率的计算公式，注明单位。
答：霍尔系数RH： RH= （Ω.m/T）
载流子浓度n: n= (个/m3)
电导率σ： σ= （1/Ω.m）
迁移率μ μ=RHσ （1/T）
【测试题】
1、 如何利用霍尔效应实验，判断半导体导电类型（N、P）。
答：伸出左手，让磁感线穿过手心，四指指向电流方向，如姆指指向与霍尔电势差方向相同，则为N型半导体，如姆指指向与霍尔电势差方向相反，则为P型半导体。
2、 测量霍尔电势差时存在那些副效应影响？如何消除这些影响？
答： 测量霍尔电势差时会产生一些热磁副效应，给测量带来误差，如爱廷豪森效应、能斯托效应等，这些副效应产生的电势差的方向，与IS、B的方向有关。可采用对称测量法，分别改变IS、B的方向组合，测出U1 、 U2、U3、U4 ，求平均值（绝对值相加），得到UH。这样就消除了大部分副效应影响。