长江大学：物理与光电工程学院（物理实验）霍尔效应实验

霍尔效应实验一、实验目的1、了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性；2、掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。二、实验原理2如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中，其平面与磁Lt场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（M、N和P、S），径电极M、N通以直流电流IH，则在P、S极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。这电势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片川Ax(B)就是霍尔片。假设霍尔片是由n型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极M、N上通过的电流由M极进入，N极出来（如图），则片中载流子（电子）的运动方向与电流Is的方向相反，运动的载流子在磁场中要受到洛仑兹力的作用，J=eU×B，电子在洛仑兹力的作用下，在由N-M运动的过程中，同时要向S极所在的侧面偏转（即向下方偏转），结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（P极所在侧面）带正电，在上下两侧面之间就形成电势差VH，即霍尔电势差。薄片中电子在受到洛仑兹力作用的同时，要受到霍尔电压产生的电场的作用。电子受力为零达到稳定状态，则有-eE.-exB-0E =-DxBIs=nedby,v=ls/nedb。VH=IsB/ned=KIsB式中比例系数Ku=1/ned，称为霍尔元件的灵敏度将V=KIsB改写得B=VH/KHls如果我们知道了霍尔电流IH霍尔电压Va的大小和霍尔元件的灵敏度KH，我们就可以算出磁感应强度B。实际测量时所测得的电压不只是VH，还包括其他因素带来的附加电压。根据其产生的原因及特点，测量时可用改变Is和B的方向的方法，抵消某些因素的影响。例如测量时首先任取某一方向的Is和B为正，当改变它们的方向时为负，保持Is、B的数值不变，取（Is+，B+）（Is、B）（Is+、B.）、（Is，B.）四种条件进行测量，测量结果分别为：V,=VH+Vo+Ve+VN+VRLV,=-VirVo-Ve+VN+VRLV3--VH+Vo-Ve-VN-VRLV4-Vh-Vo+Ve-VN-VRL

霍尔效应实验 一、实验目的 1、了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性； 2、掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。 二、实验原理 如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中，其平面与磁 场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（M、N 和 P、S），径 电极 M、N 通以直流电流 IH，则在 P、S 极所在侧面产生电势差， 这一现象称为霍尔效应。这电势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片 就是霍尔片。 假设霍尔片是由 n 型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极 M、N 上通过的电流由 M 极进入， N 极出来（如图），则片中载流子（电子）的运动方向与电流 IS 的方向相反，运动的载流子在磁场中要受 到洛仑兹力的作用， f B e B       ，电子在洛仑兹力的作用下，在由 N→M 运动的过程中，同时要向 S 极 所在的侧面偏转（即向下方偏转），结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（P 极所在侧面）带 正电，在上下两侧面之间就形成电势差 VH，即霍尔电势差。薄片中电子在受到洛仑兹力作用的同时，要 受到霍尔电压产生的电场的作用。电子受力为零达到稳定状态，则有 - eE H - e  B  0     B    E H  -  IS=nedb v , v =IS/nedb。 VH = ISB/ned =KH ISB 式中比例系数 KH = 1/ned，称为霍尔元件的灵敏度。 将 VH =KH IS B 改写得 B = VH / KH IS 如果我们知道了霍尔电流 IH，霍尔电压 VH的大小和霍尔元件的灵敏度 KH，我们就可以算出磁感应强 度 B。 实际测量时所测得的电压不只是 VH，还包括其他因素带来的附加电压。根据其产生的原因及特点，测 量时可用改变 IS和 B 的方向的方法，抵消某些因素的影响。例如测量时首先任取某一方向的 IS 和 B 为正， 当改变它们的方向时为负，保持 IS、B 的数值不变，取（IS+，B+）、（IS-、B+）、（IS+、B-）、（IS-，B-）四种 条件进行测量，测量结果分别为： V1= VH+V0+VE+VN+VRL V2=-VH-V0-VE+VN+VRL V3=-VH+V0-VE-VN-VRL V4=VH-V0+VE-VN-VRL

从上述结果中消去Vo，V和VRL，得到-(Vi-V2-V3+V4)-VEVH=一般地Ve比V小得多，在误差范围内可以忽略不计。三、实验仪器DH4512系列霍尔效应实验仪。1、实验仪介绍黑烈路点实照修Hz马糖州大华济密超德泉熙盆品.OACMAVH图1-1霍尔效应实验仪（双线圈实验架）平面图螺线盒照晒测定仪之航州大华仪路制造限公ACO图1-2螺线管磁场测定仪（螺线管实验架）平面图2、测试仪HZDH杭州大华仪器制造有限公司霍尔效应测试仪DH4512ivoIs建尔电电源调节转换开关ViVe量豫零IM助暖电池电池薄节图1-3DH4512系列霍尔效应测试仪面板

从上述结果中消去 V0，VN和 VRL，得到 VH = 4 1 (V1-V2-V3+V4)-VE 一般地 VE比 VH小得多，在误差范围内可以忽略不计。 三、实验仪器 DH4512 系列霍尔效应实验仪。 1、实验仪介绍 图 1-1 霍尔效应实验仪（双线圈实验架）平面图 图 1-2 螺线管磁场测定仪（螺线管实验架）平面图 2、测试仪 图 1-3 DH4512 系列霍尔效应测试仪面板

(1)"Is输出”：霍尔工作电流源，输出电流0～3mA，通过"Ts调节"旋钮调节。“IM输出”：螺线管励磁电流源，输出电流0～0.5A，通过"IM调节"旋钮调节。(2)直流电压表"Vα(mV)"，供测量霍尔电压用。四、实验步骤1、将测试仪面板上“I、输出”、“V测量端”、“I输出”三对接线柱分别与实验架上对应的接线柱连接。注意：以上三组线千万不能接错，以免烧坏元件，将I，和IM调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小状态。2、用一边是分开的接线插、一边是双芯插头的控制连接线与测试仪背部的插孔相连接（红色插头与红色插座相联，黑色插头与黑色插座相联）。3、先将I，和IM调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为0mV。4、打开测试仪电源，调节IM=+0.500.A，并在测量过程终保持不变。调节Is=0.50mA,按表中Is的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压V值（Vi，V2）。以后Is每次递增0.50mA，测量各Vi，V2值。5、将I、和I调零，调节I=-0.500A，并在测量过程终保持不变。调节Is=0.50mA,按表中Is的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压V值（V3，V4)。以后Is每次递增0.50mA，测量各V3，V4值。6、将I和IM调零，调节Is至3.00mA。调节IM=+0.100，按表中Is的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压V值（Vi，V2）。以后IM每次递增0.050A，测量各Vi，V2值。7、将I.和IM调零，调节Is至3.00mA。调节IM=-0.100，按表中Is的正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压V值（V3，V4）。以后IM每次递增0.050A，测量各V3，V4。8、将I，和I调零，关闭电源，拆线，收拾仪器。9、绘制霍尔电压和工作电流的VH-Is曲线。10、绘制霍尔电压和励磁电流的VH-IM曲线。五、实验数据记录与处理表1IM=0.500AV(mV) V2(mV) V3(mV) /V4(mV)Vn-V-+V,-4 (mV)Is(mA)4+Is +IM-Is +IM-Is -IM+Is -IM0.501.001.502.002.503.00

(1) “Is 输出”：霍尔工作电流源，输出电流 0～3mA，通过“Is 调节”旋钮调节。 “IM 输出”：螺线管励磁电流源，输出电流 0～0.5A，通过“IM 调节”旋钮调节。 (2) 直流电压表“VH(mV)”，供测量霍尔电压用。 四、实验步骤 1、将测试仪面板上“ S I 输出”、“VH 测量端”、 “ M I 输出”三对接线柱分别与实验架上对应的接线柱连 接。注意：以上三组线千万不能接错，以免烧坏元件，将 S I 和 M I 调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出 电流趋于最小状态。 2、用一边是分开的接线插、一边是双芯插头的控制连接线与测试仪背部的插孔相连接(红色插头与红 色插座相联, 黑色插头与黑色插座相联)。 3、先将 S I 和 M I 调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为 0mV。 4、打开测试仪电源，调节 0.500 M I A   ，并在测量过程终保持不变。调节 Is =0.50mA,按表中 Is 的 正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压 VH值（V1，V2）。以后 Is 每次递增 0.50mA，测量 各 V1，V2 值。 5、将 S I 和 M I 调零，调节 0.500 M I A   ，并在测量过程终保持不变。调节 Is =0.50mA,按表中 Is 的 正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压 VH值（V3，V4）。以后 Is 每次递增 0.50mA，测量 各 V3，V4 值。 6、将 S I 和 M I 调零，调节 Is 至 3.00mA。调节 IM=+0.100，按表中 Is 的正负情况切换“实验架”上的 方向，分别测量霍尔电压 VH值（V1，V2）。以后 IM 每次递增 0.050A，测量各 V1，V2值。 7、将 S I 和 M I 调零，调节 Is 至 3.00mA。调节 IM=-0.100，按表中 Is 的正负情况切换“实验架”上的 方向，分别测量霍尔电压 VH值（V3，V4）。以后 IM 每次递增 0.050A，测量各 V3，V4。 8、将 S I 和 M I 调零，关闭电源，拆线，收拾仪器。 9、绘制霍尔电压和工作电流的 V I H S  曲线。 10、绘制霍尔电压和励磁电流的 V I H M  曲线。 五、实验数据记录与处理 表 1 0.500 M I A  Is(mA) V1(mV) V2(mV) V3(mV) V4(mV) 4 V1 V2 V3 V4 VH     (mV) +Is +IM -Is +IM -Is -IM +Is -IM 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

表21I,=3.00mAV-V, +V,-V(mV)Vi(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)VH=IM(A)4+Is +IM-Is +IM-Is -IM+Is -IM0.1000.1500.2000.2500.3000.3500.4000.4500.500霍尔电压与霍尔电流的关系曲线霍尔电压与励磁电流的关系曲线从图上可以清楚看到霍尔电压与霍尔电流，励磁电流之间成线性关系。六、注意事项1.接线时I，和IM不可接反。2.开机前，将I和IM调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输入电流趋于最小状态。3.关机前，将I，和IM调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输入电流趋于最小状态。七、思考题如已知存在一个干扰磁场，如何采用合理的测试方法，尽量减小干扰磁场对测量结果的影响

表 2 3.00 S I mA  霍尔电压与霍尔电流的关系曲线 霍尔电压与励磁电流的关系曲线 从图上可以清楚看到霍尔电压与霍尔电流，励磁电流之间成线性关系。 六、注意事项 1. 接线时 S I 和 M I 不可接反。 2. 开机前，将 S I 和 M I 调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输入电流趋于最小状态。 3. 关机前，将 S I 和 M I 调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输入电流趋于最小状态。 七、思考题 如已知存在一个干扰磁场，如何采用合理的测试方法，尽量减小干扰磁场对测量结果的影响。 IM(A) V1(mV) V2(mV) V3(mV) V4(mV) 4 V1 V2 V3 V4 VH     (mV) +Is +IM -Is +IM -Is -IM +Is -IM 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500