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试验十试验霍尔效应
霍尔效应
【实验目的】
1.掌握用 “对称测量法”消除系统误差的方法。
2.了解霍尔效应实验原理。
3.确定被测样品的导电类型及霍尔系数。
【实验仪器】
霍尔效应实验装置SH500一套。
【实验原理】
置于磁场中的载流体,如果电流的方向与磁场方向垂直,则在垂直于电流和
磁场的方向上会产生一附加的横向电场。这种现象就称为霍尔效应。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发生偏转。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垂直于电流和磁场方向上产
生正负电荷的聚积,从而形成了附加的横电场。如(图一)所示的半导体样品,若
在X 方向通以电流I,在Z 方向上加磁场B,则在Y 方向上即样品AA两侧就开
始聚积异号电荷而产生附加电场,电场的方向与半导体的导电类型有关。
显然,该电场是阻带电粒子继续向侧面进行偏移的,当带电粒子所受的电场
力eE 与洛仑兹力eVB 相等时,样品两侧电荷的积累就达到平衡,所以有:
H
eE eVB (1)
H
其中E 为霍尔电场,V 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。如果设样
H
品的宽度为b,厚度为d,载流子的浓度为n,则电流强度为:
I=ebdnV (2)
由(1)(2)两式可得:
V E ·b (3)
H H
由(3)式可知:霍尔电压(即A 与A之间的电压)与I ·B 的乘积成正比,与样
品的厚度d 成反比,其比例系数RH 1/ne称为霍尔系数。它是反映材料霍尔效
应强弱的重要参数。以后只要测出霍尔电压VH(伏),以及知道电流强度I(安),
磁场强度B(特斯拉)和样品厚度d(厘米),则可按(4)式计算出霍尔系数R (cm3 /
H
库仑)
(4)
由R 的符号或霍尔电压的正负可判断样品的导电类型,差别方法是按图一
H
所示的I 和B 的方向,若测得的V 0 即A 点电位低于A的电位,则R 为负,
H H
样品为N 型半导体。反之则为P 型。
金属导体和不良导体的霍尔系数均很小,而半导体的霍尔系数较大。尤其是
N 型半导体,所以大多数的霍尔器件采用N 型半导体材料制造。由(3)式我们还
可看出霍尔电压的大小与材料的厚度成反比,因而薄膜型的霍尔器件的输出电压
比片状的要高得多。就霍尔器件而言其厚度是一定的。所以在实用上采用K 1
H
/ned 即K =R /d 来表示霍尔器件的灵敏度,K 就称为霍尔灵敏度,单位为
H H H
mV(mA·T)。目前用高迁移率的锑化铟为材料的薄膜型霍尔器件,其K 可高达
H
200~300mV(mA·T)而通常的片状硅霍尔器件仅为2mV(mA·T)。
【仪器介绍】
霍尔效应实验装置由实验台图二和测试仪图三两部分组成。
实验台中有电磁铁,规格0.25T(特斯拉)/A根据励磁电流IM 的大小和方
向确定磁场的强度和方向,(红线为头,棕线为尾,顺时针绕向,被测样品为硅
半导体
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