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霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告1
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:
1.保持不變，使Im從0.50到4.50變化檢測(cè)VH.
可以通過(guò)改變IS和磁場(chǎng)B的方向去除負(fù)效應(yīng)。在規(guī)定電壓和磁場(chǎng)正反方向后，分別檢測(cè)下述四組不同方向的IS和B組合的VH,即
+B，+I
VH=V1
—B，+
VH=-V2
—B，—I
VH=V3
+B，-I
VH=-V4
VH=(|V1|+|V2|+|V3|+|V4|)/4
0.50
1.60
1.00
3.20
1.50
4.79
2.00
6.90
2.50
7.98
3.00
9.55
3.50
11.17
4.00
12.73
4.50
14.34
畫(huà)出線形擬合直線圖：
ValueError
------------------------------------------------------------
A0.115560.13364
B3.165330.0475
------------------------------------------------------------
RSDNP
------------------------------------------------------------
0.999210.183959
2.保持IS=4.5mA,檢測(cè)Im—Vh關(guān)系
VH=(|V1|+|V2|+|V3|+|V4|)/4
0.050
1.60
0.100
3.20
0.150
4.79
0.200
6.90
0.250
7.98
0.300
9.55
0.350
11.06
0.400
12.69
0.450
14.31
ValueError
------------------------------------------------------------
A0.133890.13855
B31.50.49241
------------------------------------------------------------
RSDNP
------------------------------------------------------------
0.999150.190719
基本滿(mǎn)足線性要求。
2.判定類(lèi)型
經(jīng)觀察電壓由A’向A流,B穿過(guò)向時(shí)電勢(shì)上低下高所以自旋是正電荷空穴導(dǎo)電。
4.估算RH，n，σ，μ
線圈參數(shù)=/A;d=0.50mm;b=4.0mm;L=3.0mm
取Im=0.450A;由線性擬合所得直線的斜率為3.165(Ω)。
B=Im*/A=2340T;有Ω。
若取d的單位為cm;
磁場(chǎng)單位GS;電位差單位V;電壓?jiǎn)挝籄;電量單位C;代入數(shù)值,得RH=/C。
n=1/RHe=9.24E14/cm-3。
=0.0473(S/m);
=3.198(cm2/Vs)。
思索題：
1、若磁場(chǎng)不正好與霍爾器件片底法線一致，對(duì)檢測(cè)結(jié)果有何影響，假如用實(shí)驗(yàn)方式判定B與器件發(fā)覺(jué)是否一致?
答：若磁場(chǎng)方向與法線不一致，自旋不但在上下方向受力，前后也受力(為洛侖茲力的兩個(gè)份量);而我們把洛侖茲力上下方向的份量當(dāng)成合的洛侖茲力來(lái)算，造成測(cè)得的Vh比真實(shí)值小。因而，RH偏小，n偏大;σ偏大;μ不受影響。
可檢測(cè)前后兩個(gè)面的電勢(shì)差。若不為零，則磁場(chǎng)方向與法線不一致。
2、能否用霍爾器件片檢測(cè)交變磁場(chǎng)?
答：不能，電荷交替在上下面積累，不會(huì)產(chǎn)生固定的電勢(shì)差，所以不可能檢測(cè)交變的磁場(chǎng)。
霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告2
一、實(shí)驗(yàn)名稱(chēng):霍爾效應(yīng)原理及其應(yīng)用
二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?
1、了解霍爾效應(yīng)形成原理;
2、測(cè)量霍爾器件的、曲線，了解霍爾電流與霍爾器件工作電壓、直螺線管的電樞電壓間的關(guān)系;
3、學(xué)習(xí)用霍爾器件檢測(cè)磁感應(yīng)硬度的原理和技巧，檢測(cè)長(zhǎng)直螺旋管軸向磁感應(yīng)硬度及分布;
4、學(xué)習(xí)用對(duì)稱(chēng)交換檢測(cè)法(異號(hào)法)去除負(fù)效應(yīng)形成的系統(tǒng)偏差。
三、儀器器具:YX-04型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀(儀器資產(chǎn)編號(hào))
四、實(shí)驗(yàn)原理:
1、霍爾效應(yīng)現(xiàn)象及物理解釋
霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用而造成的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中物理實(shí)驗(yàn) 霍爾效應(yīng)，這些偏轉(zhuǎn)就造成在垂直于電壓和磁場(chǎng)的方向上形成正負(fù)電荷的積聚，進(jìn)而產(chǎn)生附加的縱向電場(chǎng)。對(duì)于圖1所示。
半導(dǎo)體樣品，若在x方向通以電壓，在z方向加磁場(chǎng)，則在y方向即樣品A、A′電極一側(cè)就開(kāi)始積聚異號(hào)電荷而形成相應(yīng)的電場(chǎng)，電場(chǎng)的指向取決于樣品的導(dǎo)電類(lèi)型。其實(shí)，當(dāng)自旋所受的縱向電場(chǎng)力時(shí)電荷不斷積聚，電場(chǎng)不斷加大，直至樣品兩邊電荷的積累就達(dá)到平衡，即樣品A、A′間產(chǎn)生了穩(wěn)定的電勢(shì)差(霍爾電流)。
設(shè)為霍爾電場(chǎng)，是自旋在電壓方向上的平均甩尾速率;樣品的厚度為，長(zhǎng)度為，自旋含量為，則有:
(1-1)
由于，，又按照，則
(1-2)
其中稱(chēng)為霍爾系數(shù)，是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。只要測(cè)出、以及曉得和，可按下式估算:
(1-3)
(1-4)
為霍爾器件靈敏度。按照RH可進(jìn)一步確定以下參數(shù)。
(1)由的符號(hào)(霍爾電流的正負(fù))判定樣品的導(dǎo)電類(lèi)型。判斷的方式是按圖1所示的和的方向(即檢測(cè)中的+，+)，若測(cè)得的
(2)由求氮化物含量，即。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，這個(gè)關(guān)系式是假設(shè)所有自旋都具有相同的飄移速率得到的。嚴(yán)格一點(diǎn)，考慮自旋的速率統(tǒng)計(jì)分布，需引入的修正因子(可參閱黃昆、謝希德著《半導(dǎo)體化學(xué)學(xué)》)。
(3)結(jié)合濁度率的檢測(cè)，求自旋的遷移率。濁度率與氮化物含量以及遷移率之間有如下關(guān)系:
(1-5)
2、霍爾效應(yīng)中的副效應(yīng)及其清除方式
上述推論是從理想情況出發(fā)的，實(shí)際情況要復(fù)雜得多。形成上述霍爾效應(yīng)的同時(shí)還伴隨形成四種副效應(yīng)，使的檢測(cè)形成系統(tǒng)偏差，如圖2所示。
(1)厄廷好森效應(yīng)導(dǎo)致的電勢(shì)差。因?yàn)殡娮訉?shí)際上并非以同一速率v沿y軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，速率大的電子回轉(zhuǎn)直徑大，能較快地抵達(dá)接點(diǎn)3的側(cè)面，進(jìn)而造成3側(cè)面較4側(cè)面集中較多能量高的電子，結(jié)果3、4側(cè)面出現(xiàn)溫差，形成溫差電動(dòng)勢(shì)?？梢宰C明。的正負(fù)與和的方向有關(guān)。
(2)能斯特效應(yīng)導(dǎo)致的電勢(shì)差。焊點(diǎn)1、2間接觸內(nèi)阻可能不同，通電發(fā)熱程度不同，故1、2兩點(diǎn)間氣溫可能不同，于是導(dǎo)致熱擴(kuò)散電壓。與霍爾效應(yīng)類(lèi)似，該熱擴(kuò)散電壓也會(huì)在3、4點(diǎn)間產(chǎn)生電勢(shì)差。若只考慮接觸內(nèi)阻的差別，則的方向僅與磁場(chǎng)的方向有關(guān)。
(3)里紀(jì)-勒杜克效應(yīng)形成的電勢(shì)差。上述熱擴(kuò)散電壓的自旋因?yàn)樗俾什煌?，依照厄廷好森效?yīng)同樣的理由，又會(huì)在3、4點(diǎn)間產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。的正負(fù)僅與的方向有關(guān)物理實(shí)驗(yàn) 霍爾效應(yīng)，而與的方向無(wú)關(guān)。
(4)不等電勢(shì)效應(yīng)導(dǎo)致的電勢(shì)差。因?yàn)橹圃焐系睦щy及材料的不均勻性，3、4兩點(diǎn)實(shí)際上不可能在同一等勢(shì)面上，只要有電壓沿x方向流過(guò)，雖然沒(méi)有磁場(chǎng)，3、4兩點(diǎn)間也會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差。的正負(fù)只與電壓的方向有關(guān)，而與的方向無(wú)關(guān)。
綜上所述，在確定的磁場(chǎng)和電壓下，實(shí)際測(cè)出的電流是霍爾效應(yīng)電流與副效應(yīng)形成的附加電流的代數(shù)和?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)稱(chēng)檢測(cè)方式，即改變和磁場(chǎng)的方向加以清除和減少副效應(yīng)的影響。在規(guī)定了電壓和磁場(chǎng)正、反方向后，可以檢測(cè)出由下述四組不同方向的和組合的`電流。即:
，:
，:
，:
，:
之后求，，，的代數(shù)平均值得:
通過(guò)上述檢測(cè)方式，即使不能清除所有的副效應(yīng)，但較小，引入的偏差不大，可以忽視不計(jì)，因而霍爾效應(yīng)電流可近似為
(1-6)
3、直螺線管中的磁場(chǎng)分布
1、以上剖析可知，將通電的霍爾器件放置在磁場(chǎng)中，已知霍爾器件靈敏度，檢測(cè)出和，就可以估算出所處磁場(chǎng)的磁感應(yīng)硬度。
(1-7)
2、直螺旋管離中點(diǎn)處的軸向磁感應(yīng)硬度理論公式:
(1-8)
式中，是磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率，為螺旋管的阻值，為通過(guò)螺旋管的電壓，為螺旋管的寬度，是螺旋管的管徑，為離螺旋管中點(diǎn)的距離。
X=0時(shí)，螺旋管中點(diǎn)的磁感應(yīng)硬度
(1-9)