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1、实验十霍尔效应一.实验目的1 .认识霍尔效应，理解产生霍尔效应的机理。2 .掌握霍尔电压与工作电流、霍尔电压与磁场的关系。3 .用霍尔效应测磁场。二.实验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称为霍尔电压。它们之间有如下关系：Vh=RHIsB上式中，Rh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 =ev B在此力的
2、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。Fe = eE 二 eVH / b最后在平衡状态下，有Fb=Fe即evB=eVH/b,化简得到设块体内的载流子浓度VH=vBb(1)n,则电流Is与载流子平均速v的关系为：v =dbne(2)将上式代入(1)得VhI S b 或者nedVhK H I sB(3)其中，Kh为霍尔元件的灵敏度。单位是V/(AT)。三.实验仪器使用说明1 .仪器的组成图一仪器主机示意图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
3、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恒流源右侧的数字表显示IM的在面板的右侧，红黑接线柱分别表示该电源的输入和输出。电流值。单位：安培(2) Is恒流源IS的在面板的中侧，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 电流值。单位：毫安(3) Vh输入在面板的左侧，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Vh的电压值。单位：毫伏(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“ Vh输入”、“”和“”分别对应实验平台上的“霍尔电压”、“工作电压”和“励磁电流”。注意：千万不要将Im和Is
4、接错，否则I m电流将可能烧坏霍尔样品。(2)仪器开机之前，先将“ Is调节”和“ Im调节”旋钮逆时针旋到底，使输出和Im输出均为最小。X方向调节螺丝k图二测试平台(3)仪器接通电源后，预热五分钟。将电压测量量程转换开关拨置“ 20mA”档，然后将 电压测量输入短路，调整调零电位器使电压指示为零。(4) “Is调节” “ Im调节”两旋钮分别用来控制样品的工作电流和励磁电流的大小，其电流值随旋钮顺时针方向的转动而增加，调节精度分别为“10火”和“ 1mA”。(5)仪器关机之前，先将“ Is调节”和“ Im调节”旋钮逆时针旋到底，然后切断电源。四.注意事项1 .千万不要将Im和Is接错，否则I
5、m电流将可能烧坏霍尔样品。2 .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Vh不是真实的霍尔电压值。因为测量霍尔电压的电极A和人?的位置难以做到在一个理想的等势面上，如下图所示：霍尔元件AA?图三副效应因此，当有电流流过样品时，即使不加磁场也会产生附加电压VO = I S m r ,其中r为A和A相两个等势面之间的电阻，VO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 VO。除副效应 VO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Is和B的方向消除。3 .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
6、测量由以下四组不同 反方向的Is和B的组合的Vh,即：+B,+IsVh=Vi+B,-IsVh=V2-B,+IsVh=V3-B,-IsVh=V4则Vi -V2 V3 MVH -：4五.实验内容1 .霍尔效应的输出特性测量(1) 按图示连接好仪器。(2) 调节霍尔效应元件探杆支架的X、Y方向的旋钮，慢慢的将霍尔效应元件移到励磁线圈的中心位置。(3) 测绘Vh-Is曲线取Im=0.800A,并在测量过程中保持不变。依次按照表(一)所列数据调节Is,测出相应的Vi、V2、V3、V4值，记入表(一)并绘制 Vh-Is曲线。根据(3)式它们应该 成正比。表（一）Im=0.800AIs(mA)V1(mV)V
7、2(mV)V3(mV)V4(mV)V1 - V2 +V3 V4VH 4+ B,+I s+ B,-Is-B,+I s-B,-I s4.005.006.007.008.009.0010.00（4）测绘Vh-Im曲线取Is= 8.00mA ,并在测试过程中保持不变。依次按照表（二）所列数据调节Im,测出相应的Vi、V2、V3、V4值，记入表（二）并绘制 Vh-Im曲线。根据（3）式它们应 该成正比。表（二）Is=8.00mAIm(A)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)V1 -V2+V3-V4VH -,4+ B,+I s+ B,-Is-B,+I s-B,-I s0.3000.4000.5
8、000.6000.7000.8000.9001.0002 .测绘励磁线圈轴线上磁感应强度的分布先取取Im=0.800A , Is=8.00mA ,并在测试过程中保持不变。以相距励磁线圈两端口等远的中心位置为坐标原点建立坐标（如下图所示），调节“ Y方向调节螺丝”旋钮，改变霍尔元件的位置y,对称的选取10个点，按对称法测出各相应位置的Vi、V2、V3、V4,并计算Vh及B的值。绘制B-y曲线。图四 励磁线圈上建立坐标表(三)：励磁线圈y方向的磁感应强度x（mm）Vi（mV）V2（mV）V3（mV）V4（mV）V V H1 -V2 +V3 -V4RVHB K H I S+ B,+I s+ B,-I s-B,+Is-B,-Is4在此实3中，KH 取 26.93V/( A T)。六.思考题1 .根据霍尔系数与载流子浓度的关系，试回答金属为何不宜做霍尔元件?2 .利用霍尔元件可以读取磁带或磁盘记录的信息，试说明其原理。3 .