文档介绍：实验四霍尔效应一. 实验目的 1. 认识霍尔效应,理解产生霍尔效应的机理。 2. 测绘霍尔元件的 H S V I ?、 H M V I ?曲线,了解霍尔电势差 HV 与霍尔元件工作电流 SI 、磁感应强度 B 及励磁电流 MI 之间的关系。 3. 学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统。二. 实验原理 1 .霍尔效应法测量磁场原理一块长方形金属薄片或者半导体薄片,若在某方向上通入电流 I S, 在其垂直方向上加一磁场B, 则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差 V H, 这个现象称为霍尔效应。V H 称为霍尔电压。它们之间有如下关系: d BIRV SHH?上式中, R H 称为霍尔系数, d 是薄片的厚度。霍尔电压的产生可以用洛仑兹力来解释。如图 4-1 所示, 半导体块的厚度为d 、宽度为 b ,各种物理量的方向如图上所示, 则自由电子以平均速度v沿x 轴负方向作定向运动, 所受洛仑兹力为 B evF B??在此力的作用下自由电子向板的侧端面聚集,同时在另一个侧端面上出现同样的正电荷。这样就形成了一个沿 y 方向的横向电场,使自由电子同时也受到电场力 F E 的作用,即: b eV eE F HE/?? z x ye -F BF EI S Bd 最后在平衡状态下,有:F B =F E,即 evB=eV H /b, 化简得到:V H =vBb (1) 设块体内的载流子浓度 n ,则电流 I S 与载流子平均速 v 的关系为: dbne Iv S?(2) 将上式代入( 1 )得: ned BIV SH?或者BIKV SHH?(3) 其中, K H 为霍尔元件的灵敏度。单位是 V/( A· T)。 2、霍尔电压的 V H 测量方法( 实验中的副效应) 在产生霍尔效应的同时,也伴随着各种副效应,所以实验测量的 V H 不是真实的霍尔电压值。因为测量霍尔电压的电极 A和A?的位置难以做到在一个理想的等势面上,如图 4-2 所示: 霍尔元件 AA? I S 因此,当有电流流过样品时,即使不加磁场也会产生附加电压 O S V I R ?, 其中 R为A 和A?的两个等势面之间的电阻, V O 的符号只与电流的方向有关,与磁场的方向无关。可以通过改变 I S和B 的方向消除 V O 。除副效应 V O 外,还有热效应、热磁效应等,不过这些效应除个别外,均可以通过改变 I S和B 的方向消除。对霍尔电压 V H 的处理。在规定了电流和磁场的正反方向后, 分别测量由以下四组不同反方向的 I S和B 的组合的 V H ,即: B++?? I S+?+? VV 1V 2V 3V 4 则:4 4321VVVVV H????(4) 这种测量 V H 的方法称为“对称测量法”,求得的 V H ,虽然还存在个别无法消除的副效应, 但其引入的误差很小,可以忽略不计(详见附录分析)。图 4-2 副效应二. 实验仪器使用说明 1. 仪器的组成 QS-H 型霍尔效应实验组合仪 200mv 20mv mV mA A ON OFF 调零 V H 输入 I S 输出 I M 输出 I S 调节 I M 调节本仪器由励磁恒流元 I M 、样品工作恒流元 I S 、数字电流表、数字电压表、霍尔效应实验装置等组成。仪器主机面板分布如图一所示。主机面板分布说明: