用霍尔效应测量磁场

利用霍尔效应测量磁场

【教学目的】

1.使学生了解霍尔电压产生的机制； 2.使学生学会用霍尔元件测量磁场的基本方法

【重点与难点】

重点：霍尔效应产生的原理; 难点：1、霍尔电压的产生机制 ；

2、消除附加效应的方法

【实验内容】

1． 霍尔元件输出特性测量（测绘VH-IS曲线。VH-IM曲线） 2． 测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布曲线

【教学方法】

口头讲述、板书、实验演示

【教学过程设计】 1、 内容的引入：

提问 ：

（1）、 电荷在磁场中作切割磁力线的运动会受到什么力的作用？这个力会使电荷的运

动发生怎样的变化？

（洛伦兹力；圆周运动） （2）、什么是霍尔效应？ 霍尔电压是怎样产生的？ （ 见实验原理） 2、 重点讲解

（一）、实验原理 （1）霍尔效应

霍尔效应从本质上讲，是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场。如图所示，磁场B

位于Z的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is（称为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材料），它

利用霍尔效应测量磁场

【教学目的】

1.使学生了解霍尔电压产生的机制； 2.使学生学会用霍尔元件测量磁场的基本方法

【重点与难点】

重点：霍尔效应产生的原理; 难点：1、霍尔电压的产生机制 ；

2、消除附加效应的方法

【实验内容】

1． 霍尔元件输出特性测量（测绘VH-IS曲线。VH-IM曲线） 2． 测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布曲线

【教学方法】

口头讲述、板书、实验演示

【教学过程设计】 1、 内容的引入：

提问 ：

（1）、 电荷在磁场中作切割磁力线的运动会受到什么力的作用？这个力会使电荷的运

动发生怎样的变化？

（洛伦兹力；圆周运动） （2）、什么是霍尔效应？ 霍尔电压是怎样产生的？ （ 见实验原理） 2、 重点讲解

（一）、实验原理 （1）霍尔效应

霍尔效应从本质上讲，是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场。如图所示，磁场B

位于Z的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is（称为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材料），它

实验12 用霍耳元件测量磁场

1879年霍耳在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现了霍耳效应，它是电磁场的基本现象之一。利用这种现象可以制成各种霍耳器件，特别是测量器件，现在已广泛地应用在工业自动化和电子技术中。由于霍耳元件的体积可以做得很小，所以可以用它测量某点的磁场和缝隙间的磁场，还可以利用这一效应测量半导体中的载流子浓度及判别载流子的性质等。本实验介绍一种用霍耳效应实验仪测量磁场的方法。

一. 实验目的

1. 了解用霍耳效应测量磁场的基本原理。

2. 了解电位差计的原理和使用方法。

二. 实验仪器

霍耳效应实验仪、电位差计、安培表、毫安表、直流稳压电源、电阻箱、滑线变阻器、导线等。

三. 实验原理

1. 霍耳效应原理

1879年，24岁的美国科学家霍耳，在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现：当工作电流I在垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于电流和磁场方向该导电体的两侧产生电势差，这种现象称为霍耳效应，该电动势称为霍耳电势（电压）。这种效应对金属导体并不明显，而对半导体却非常明显，因此随着半导体物理学的发展，霍耳效应的应用更加广泛。

霍耳效应的产生可以用电荷受力来说明。如图3-12-1所示，设霍耳元件是由

针对大学物理实验中＂霍尔效应法测量磁场＂项目只能测长直螺线管轴线上的磁场分布的不足,提出一种改进方法,测量任一未知磁场在二维空间中的分布,进而可扩展到测量三维空间磁场的分布。经改进后的实验可使学生深刻理解霍尔效应测磁场的原理及磁场的性质,并可作为设计性实验项目在大学物理实验课中开出,培养学生的创新意识。

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实

验

室

科

学

第 l 3卷

第 4期

21 0 0年 8月Au . 0 0 g2 1

L ABORATORY S E CI NC E

Vo.1 No 4 1 3 .

对霍尔效应测量磁场实验的方法改进吴魏霞，杨少波，张明长(京印刷学院基础部，北京北摘

120 ) 060

要：针对大学物理实验中“霍尔效应法测量磁场”项目只能测长直螺线管轴线上的磁场分布的不足，提

出一种改进方法，测量任~未知磁场在二维空间中的分布，进而可扩展到测量三维空间磁场的分布。经改进后的实验可使学生深刻理解霍尔效应测磁场的原理及磁场的性质，并可作为设计性实验项目在大学物理实验课中开出，培养学生的创新意识。关键词：霍尔效应；方法改进；电磁效应中图分类号：4 15 O 4 .文献标识码： A d i1 .9 9 ji n 17— 35 2 1 .4 06 o:

变温霍尔效应

变温霍尔效应

引言

1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力的情况时，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。在半导体材料中，霍尔效应比在金属中大几个数量级，引起人们对它的深入研究。霍尔效应的研究在半导体理论的发展中起了重要的推动作用。直到现在，霍尔效应的测量仍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。

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. 掌握动

关于霍尔效应的数据处理：

3.50 4.00

6.94 7.80

-0.99 -1.26图2

2.84 3.11

-5.09 -5.94

3.97 4.53

5 4.5 4 3.5

VH(mV)

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 2 Is(mA) 2.5 3 3.5 4

X (cm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

V1(mV)+B,+IS

V2(mV)-B,+IS

V3(mV)-B,-IS

V4(mV) VH +B,-IS

V1 V2 V3 V4(mV)

4

5.48 6.59 7.20 7.46 7.58 7.66 7.71 7.73 7.74 7.75 7.75 7.77 7.78 7.79

1.03 -0.06 -0.67 -0.93 -1.05 -1.12 -1.17 -1.18 -1.20 -1.19 -1.21 -1.21 -1.23 -1.24

0.83 1.94 2.55 2.80 2.93 3.01 3.05 3.06 3.07 3.07 3.08 3.10 3.11 3.09

-3.61 -4.70 -5.32 -5.57 -5.70 -5.77 -5.82 -5.84 -5.85 -5.

霍尔效应及其应用实验(FB510A型霍尔效应组合实验仪)

（亥姆霍兹线圈、螺线管线圈）

实 验 讲 义

长春禹衡时代光电科技有限公司

实验一 霍尔效应及其应用

置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。

【实验目的】

1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。

2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的VH~IS 和VH~IM 曲线。 3．确定试样的导电类型。

【实验原理】

1．霍尔效应：

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场EH 。如图1所示的半导体试样，若在

变温霍尔效应

实验8—1变温霍尔效应

引言

1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力的情况时，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。在半导体材料中，霍尔效应比在金属中大几个数量级，引起人们对它的深入研究。霍尔效应的研究在半导体理论的发展中起了重要的推动作用。直到现在，霍尔效应的测量仍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。

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。

实 验 报 告

学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间：

一、实验室名称：霍尔效应实验室 二、 实验项目名称：霍尔效应法测磁场 三、实验学时： 四、实验原理：

（一）霍耳效应现象

将一块半导体（或金属）薄片放在磁感应强度为B的磁场中，并让薄片平面与磁场方向（如Y方向）垂直。如在薄片的横向（X方向）加一电流强度为IH的电流，那么在与磁场方向和电流方向垂直的Z方向将产生一电动势UH。

如图1所示，这种现象称为霍耳效应，UH称为霍耳电压。霍耳发现，霍耳电压UH与电流强度IH和磁感应强度B成正比，与磁场方向薄片的厚度d反比，即

UH?RIHB（1）

d

式中，比例系数R称为霍耳系数，对同一材料R为一常数。因成品霍耳元件（根据霍耳效应制成的器件）的d也是一常数，故R/d常用另一常数K来表示，有

UH?KIHB （2）

式中，K称为霍耳元件的灵敏度，它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用下霍耳

HMS2000霍尔效应测量仪

原理及应用

导电薄膜的电性质是决定薄膜材料用途的很重要参数，因此对于薄膜材料电学性质的测量方法的探究在一个多世纪以来也成为相当重要的研究课题。霍尔效应测试仪正是用于测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、霍尔系数等重要参数，这些参数是了解半导体材料电学特性必须预先掌控的，因此霍尔效应测试仪是理解和研究半导体器件和半导体材料电学特性必备的工具。

我院的HMS2000型霍尔效应测试仪，是基于范德堡方法原理设计出的自动化测试仪器，具有操作方便快捷，测量准确等优点。本报告会简要介绍范德堡方法和霍尔效应，即仪器的原理部分，之后以AZO样品为例，介绍该仪器的具体测量方法及结果。 一、原理

（一）范德堡方法

范德堡方法可以用来测量任意形状的厚度均匀的薄膜样品。在样品侧边制作四个对称的电极，如图1所示。

图1 范德堡方法测量示意图

测量电阻率时，依次在一对相邻的电极通电流，另一对电极之间测电位差，得到电阻R，代入公式得到电阻率ρ。

1

其中d为样品厚度，f为范德堡因子，是比值RAB,CD/RBC,AD的函数。

以上便是范德堡方法侧量薄膜材料电阻率的方法，这种方法对于样品形状没有特殊的要求，但是要求薄膜样品的厚度均匀，电阻率均匀，表