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1、霍尔效应实验,淮阴师范学院物理实验教学中心,Edwin Hall（18551938）,霍尔效应是霍尔 (Hall)24岁时在美国霍普金斯大学研究生期间，研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种现象。,一、实验目的,1熟悉霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义。,2测绘霍尔元件的 ， 曲线，了解霍尔 电势差 与霍尔元件工作电流 、磁感应强度B及励 磁电流 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 误差。,二、实验仪器,三、实验原理,Y,X,Z,d,B,(1-1),霍尔效应的解释,现研究一个长度为L、宽度为d的N型半导体材料制成的霍尔元件。当沿X方向通以电流 后，载流子（对
2、N型半导体是电子）e将以平均速度v沿与电流相反的方向运动，在磁感应强度为B的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为,e,z,v,的方向可以由右手定则 决定。在 的作用下，电荷将在元件沿y的两端面堆积形成电场 它会对载流子产生一静电力 ，其大小为,它的方向与洛仑兹力相反，即它是阻止电荷继续堆积。,e,V,当 和 达到静态平衡后，有 即 于是电荷堆积的两端面（Z方向）的电势差为 通过的电流可表示为 式中n是电子浓度，得,（1- 4）,（1- 5）,=,将 代入 可得,可改写为,就是霍尔系数,（1）爱廷豪森效应,1887年爱廷豪森发现，由于载流子的速度服从统计分布，它们在磁场的作用下，速度大的受
3、到的洛仑兹力大，绕大圆轨道运动，速度小则绕小圆轨道运动，这样导致霍尔元件的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯度。因而产生温差效应，形成电势差，记为 ， 的大小与正负符号与I、B的大小和方向有关，跟 与I、B的关系相同，所以不能在测量中消除。,（2）伦斯脱效应,由图所示由于输入电流端引线a、b点处的电阻不相等，通电后发热程度不同，使a和b两端之间出现热扩散电流，在磁场的作用下，在c、e两端出现横向电场，由此产生附加电势差，记为 。其方向与 无关，只随磁场方向而变。,1,2,3,4,a,b,c,e,（3）里纪-勒杜克效应,由于热扩散电流的载流子的迁移率不 同，类似与爱廷豪森效应中载流
4、子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度，产生附加电势差，记为 ，其方向只与磁场方向有关，与 同向。,1,(4)不等位电势差,不等电势差是由于霍尔元件的材料本身不均匀，以及电压输入端引线在制作时不可能绝对对称地焊接在霍尔片的两侧，如图所示。因此，当电流 流过霍尔元件时，在电极3、4间也具有电势差，记为 ，其方向只随 方向不同而改变，与磁场方向无关。,3,c,e,副效应的消除,根据以上副效应产生的机理和特点，除爱廷豪森副效应 外，其余的都可利用异号测量法消除影响，因而需要分别改变 和B的方向， 测量四组不同的电势差，然后做适当数据处理，而得到 。,取 + 、+ 测得 取 + 、- 测得 取 、+ 测得 取 、- 测得 消去 、 和 得 因为 ，所以,四、实验内容,测量霍尔电压 与励磁电流 的关系 。 测量霍尔电压 与工作电流 的关系 。,3. 根据测量计算霍尔元件的霍尔灵敏度。,五、数据处理,1. 计算霍尔元件零位电势 和不等位电阻 。 2. 绘出 曲线，验证线性关系 。 3. 绘出 曲线，验证线性关系的范围，分析当 达到一定值以后， 直线斜率变化的原因 。 4. 计算霍尔元件的霍尔灵敏 。,思考题,霍尔元件都用半导体材料制成而不用金属材料，为什么？ 为提高霍尔元件的灵敏度你将采用什么办法？,