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1、近代物理实验 变温霍尔效应,高 惠 平 河南大学物理与电子学院,内容介绍,霍尔效应 变温霍尔效应实验 一. 实验目的 二. 仪器介绍 三. 实验原理 四. 实验内容 五. 注意事项 六. 思考题,霍尔效应,1.发现 1879年，霍耳（E.T.Hall）在研究通有电流的导体在磁 场中的受力情况时，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生 了电动势，这个效应称为“霍尔效应（Hall effect)”。,2. 背景：当时，还没有发现电子，金属导电的机理 也不清楚。,霍尔注意到两大著名物理学家关于一个问题的分歧： 英国物理学家麦克斯韦在电磁学中写到： 瑞典物理学家埃德隆在一篇文章中讲到：,我们必须记住，推动
2、载流导体切割 磁力线的力不是作用在电流上， 在导线中，电流的本身完全不受 磁铁接近或其它电流的影响。,磁铁作用在固态导体中的电流上， 恰如作用 在自由运动的导体上一样。,真的是 这样吗？,难道是这样？,3. 向导师罗兰(H.A.Rowland)教授请教，得到支持。,4. 设计实验进行研究。,有电流产生！,未观察到任何现象,5. 反复实验得出结论： 霍尔电压U与电流I和磁感应强度B成正比，与 板的厚度d 成反比。其公式为： RH：比例常数，称为霍尔系数，由导体材料的性质 （载流子的浓度等）决定。 6. 霍尔的论文 “论磁铁对电流的新作用” 在美国数学杂志上发表，引起广泛关注！ 新闻界：“过去年中
3、电学方面最重要的发现” 开尔文：“霍耳的发现可和法拉第的电磁学相比拟”,此后，反常霍尔效应、量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、自旋霍尔效应和轨道霍尔效应等相继被发现。其中量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现者分别在1985年和1998年获得诺贝尔奖。,事实上，在霍尔发现这个现象之前，英国物理学家洛奇也曾有类似想法，但慑于麦克斯韦的权威，放弃了实验。,启示录 在科学的道路上，不仅要有细致入微的洞察力，持之以恒的毅力，更加需要有不惧怕权威、追求真理的勇气和信心！,变温霍尔效应实验,霍尔效应的测量是研究半导体性质的重要实验方法。 利用霍尔效应，可以确定半导体的导电类型和载流子浓度，利用霍尔系数和电导率
4、的联合测量，可以用来研究半导体的导电机构(本征导电和杂质导电)和散射机构(晶格散射和杂质散射)，进一步确定半导体的迁移率、禁带宽度、杂质电离能等基本参数。测量霍尔系数随温度的变化，可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的温度特性。 根据霍尔效应原理制成的霍尔器件，可用于磁场和功率测量，也可制成开关元件，在自动控制和信息处理等方面有着广泛的应用。,一. 实验目的,1了解半导体中霍尔效应的产生原理，霍尔系数表 达式的推导及其副效应的产生和消除。 2掌握霍尔系数和电导率的测量方法。通过测量数 据处理判别样品的导电类型，计算室温下所测半 导体材料的霍尔系数、电导率、载流子浓度和霍 尔迁移率。 3
5、掌握动态法测量霍尔系数及电导率随温度的变化， 作出RH1/T，1/T曲线，了解霍尔系数和电导 率与温度的关系。 4了解霍尔器件的应用，理解半导体的导电机制。,二. 仪器介绍,变温霍尔实验仪 磁场及控制电源 电磁铁 恒温器 特斯拉计 保温杯 计算机数据采集 系统及软件等,三. 实验原理,半导体内的载流子（电子和空穴） 产生机构：本征激发和杂质电离,不受外来杂质的影响由半导体本身靠热激发产生电子-空穴的过程，称为本征激发。,P型半导体,在纯净的第IV族元素半导体( 硅、锗等）材料中，掺入微量III族元素（如硼或铝等）或V族元素（磷、砷等）杂质，称为半导体掺杂。掺杂后的半导体在室温下的导电性能主要由
6、浅杂质决定。,第III族原子硼在晶体中取代部分硅原子组成共价键时，从邻近硅原子价键上夺取一个电子成为负离子，而在邻近失去一个电子的硅原子价键上产生一个空穴。这样满带中电子就激发到禁带中的杂质能级上，使硼原子电离成硼离子，而在满带中留下空穴参与导电，这种过程称为杂质电离。这样的杂质叫做受主杂质，由受主杂质电离而提供空穴导电为主的半导体材料称为p型半导体。,向半导体提供一个自由电子而本身成为正离子的杂质称 为施主杂质，以施主杂质电离提供电子导电为主的半导体材 料叫做n型半导体。,n型半导体,2. 霍尔效应和霍尔系数,霍尔效应的本质是： 固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而
7、使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。,n型：,P型：,电子空穴混合导电：,3.霍尔系数与温度的关系,曲线A、B分别表示n型和p型半导体的 霍尔系数随温度的变化曲线,4.半导体的电导率,P型半导体的电导率与温度的关系,5霍尔效应中的副效应及其消除,在霍尔系数的测量中，会伴随一些热磁副效应、电极不对称等因素引起的附加电压叠加在霍尔电压H上 。 （1）爱廷豪森（Ettinghausen）效应 E （2）能斯脱（Nernst）效应 N （3）里纪-勒杜克（Righi-Ledue）效应
8、 RL （4）电极位置不对称产生的电压降 0和T 改变I和B的方向，使N 、RL、0和T从计算结果中消除，然而E却因与I、B方向同步变化而无法消除，但E引起的误差很小，可以忽略。,四. 实验内容,1测量室温下锗样品的霍尔系数和电导率 2变温霍尔系数及电导率的测量 3数据处理 a. 判断样品的导电类型。 b. 计算室温下的霍尔系数及电导率，并计算样品 的载流子浓度，霍尔迁移率。 c. 由变温测量的数据，作出以下几条随温度化 的曲线： 定性说明之。由曲线求出禁带宽度g。,五. 注意事项,1. 经常检查并保证仪器电接地正常。 2. 湿手不能触及过冷表面、液氮漏斗，防止皮肤冻粘在深冷表面上，造成严重冻伤！灌液氮时应带厚棉手套。如发生冻伤，请立即用大量自来水冲洗，并按烫伤处理。 3. 实验完毕，一定要拿出中心杆，防止热膨胀涨坏套筒。,六. 思 考 题,分别以p型、n型半导体样品为例，说明如何确 定霍尔电场的方向。 霍尔系数的定义及其数学表达式是什么？从霍 尔系数中可以求出哪些重要参数？ 霍尔系数测量中有哪些副效应，通过什么方式 消除它们？你能想出消除爱廷豪效应的方法？ 4. 定性说明曲线 。,改变B和I的方向测量的四条曲线,霍尔系数随温度变化的曲线,电导率随温度变化的曲线,