实验四 霍尔效应
7页1、实验四霍尔效应1. 实验目的认识霍尔效应,理解产生霍尔效应的机理。测绘霍尔元件的V-I、V-I曲线,了解霍尔电势差V与霍尔元件工作电流I、磁HSHMHS感应强度B及励磁电流I之间的关系。2. M学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统。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IS,在其垂直方向上加一磁S场B,则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差VH,这个现象称为霍尔效应。VH称为霍HH尔电压。它们之间有如下关系:IBV=R-HHd上式中,rh称为霍尔系数,Hd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Fb=evxB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Fe的作用,即:EF=eE=eV/bEH最后在平衡状态下,有:FB=Fe,即evB=eVH/b,化简得到:VH=vBb(1)BEHH设块体内的载
2、流子浓度n则电流IS与载流子平均速v的关系为:v=Is(2)SdbneIB将上式代入(1)得:V=s或者V=KIB(3)HnedHHS其中,Kh为霍尔元件的灵敏度。单位是V/(AT)。H2、霍尔电压的VH测量方法(实验中的副效应)H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VH不是真实的霍尔电压H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ISA、图4-2副效应因此,当有电流流过样品时,即使不加磁场也会产生附加电压V=IR,其中R为AOS和A的两个等势面之间的电阻,V。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IS和B的方向消除V。除副效应V。外,还有热效应、热磁效应等,不过这SOO些效应除个别外,均可以通过改变IS和B的方向消除。S对霍尔电压VH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H方向的IS和B的组合的百,即:SHB+Is+-+VVVVV1234则:V=V1V2+V3V4(4)H4这种测量VH的方法称为“对称测量法”求得的VH,虽然还存在个别无法消除的副效应,HH但其引入的误差很
3、小,可以忽略不计(详见附录分析)。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200mv120mvmVmAAONOFFOiS调节oIm调节o调零VH输入HIS输出IM输出图4-3仪器主机示意本仪器由励磁恒流元IM、样品工作恒流元IS、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:(1)IM恒流源M在面板的右侧,红黑接线柱分别表示该电源的输入和输出。右侧的数字表显示IM的电流值。单位:安培(2)IS恒流源S在面板的中侧,红黑接线柱分别表示该电源的输入和输出。中间的数字表显示IS的电流值。单位:毫安(3)VH输入H在面板的左侧,红黑接线柱分别为该VH测量输入端的正负极性。左侧的数字表显示H人的电压值。单位:毫伏H(4)“200mV”和“20mV”转换开关,此开关为量程转换开关。2.实验平台(1)主机上的“人输入”、“”和“”分别对应实验平台上的“霍尔电压”、“工作电压”H和“励磁电流”。注意:千万不要将IM和IS接错,否则IM电流将可能烧坏霍尔样品。(2) MSM仪器开机之前,先将“IS调节”和“IM调节”旋钮逆时针旋到底,
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