霍爾效應及霍爾元件基本參數的測量

1、霍爾效應及霍爾元件基本參數的測量,【實驗目的】,1.了解霍耳效應實驗原理以及有關霍耳器件對材料要求的知識。2.學習用對稱測量法消除副效應的影響。3.測繪試樣的VH-IS圖線和 VH-IM 圖線，計算器件的霍爾系數RH和靈敏度KH。4.根據RH判斷試樣的導電類型、載流子濃度以及遷移率。,【實驗原理】,1 ．霍爾效應 霍爾效應從本質上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉。當帶電粒子（電子或空穴）被約束在

2、固體材料中，這種偏轉就導致在垂直電流和磁場方向上產生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場，即霍爾電場 。,霍爾電場 是阻止載流子繼續(xù)向側面偏移，當載流子所受的橫向電場力 與洛侖茲力 相等，樣品兩側電荷的積累就達到動態(tài)平衡，故有 （1） 設試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n ，則

3、 （2）,圖1 霍爾效應實驗原理示意圖（a）載流子為電子（N型）；（b）載流子為空穴（P型）,由（1）、（2）兩式可得： （3）比例系數 稱為霍爾系數，它是反映材料霍爾

4、效應強弱的重要參數。只要測出 （伏）以及知道 （安）、（高斯）和 （厘米）可按下式計算 （厘米3／庫侖）： （4）,2．霍爾系數與其它參數間的關系,（２）由RH求載流子濃度n。即 。應該指出，這個關系式是假定所

5、有載流子都具有相同的漂移速度得到的，嚴格一點，如果考慮載流子的速度統(tǒng)計分布，需引入 的修正因子（可參閱黃昆、謝希德著《半導體物理學》）。（3）結合電導率的測量，求載流子的遷移率 。電導率 與載流子濃度n以及遷移率 之間有如下關系：

6、 （5）即 ＝ ，測出 值即可求 。,3．霍爾效應與材料性能的關系,根據上述可知，要得到大的霍爾電壓，關鍵是要選擇霍爾系數大（即遷移率高、電阻率亦較高）的材料。因 ，就金屬導體而言，遷移率和電阻率均很低，而不良導體電阻率雖高，但遷移率極小，因而這兩種材料的霍爾系數都很小，不能用來制造霍爾器件。半導體遷移率高，電阻率適中，是制造霍爾元件較理想的材料，由于電子的遷移率比空

7、穴遷移率大，所于霍爾元件多采用N型材料，其次霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍爾元件的輸出電壓較片狀要高得多。,【實驗裝置】,霍爾效應實驗儀示和測試儀意圖,TH-H型霍爾效應組合實驗儀由實驗儀和測試儀兩大部分組成 。,⑴ 勵磁恒流源：輸出電流：0—10A，示值誤差為末位±1（mA）⑵ 樣品工作恒流源：輸出電流：0—10mA，示值誤差為末位±1（10µA）⑶ 直流數字毫伏表： 測量

8、范圍：±10mV示值誤差為末位±1（10µV）,然后求 、 、 和 的代數平均值。 （6） 通過上述的測量方法，雖然還不能消除所有的副效應，但其引入的誤差不大，可以略而不計

9、。,實驗方法,（1）霍爾電壓 的測量方法 值得注意的是，在產生霍爾效應的同時，因伴隨著各種副效應，以致實驗測得的 、 兩極間的電壓并不等于真實的霍爾電壓 值，而是包含著各種副效應所引起的附加電壓，因此必須設法消除。根據副效應產生的機理可知，采用電流和磁場換向的對稱測量法，基本上能把副效應的影響從測量結果中消除。即在規(guī)定了電流和磁場正、反方向后，分別測量由下列四組不同方向的 和 組合的 （

10、 、 兩點的電位差）即：,（2）電導率 和遷移率µ的測量,s,(單位,或,）,所以，遷移率µ與載流子濃度n之間的關系為：,,（8）,【實驗內容】,⒈ 實驗中變換Is和IM的方向測出VH四個的值取平均，這樣做可以消除哪些因素引起的誤差？ 如果 +B、+Is與 - B 、- Is的數值相差較多，這主要是由哪種因素引起的？ 如果 + B 、- Is與 - B 、+ Is的數值相差較多，這主要是由哪種