霍尔元件基本参数测量--李强

山东理工大学物理实验报告实验名称：霍尔组件基本参数测量姓名：李昊学号：0612109876时间代码：06378实验序号：20院系：一年级工作部专业：理工级.班：教师签名：李强仪器与用具：TH-H霍尔效应实验组合仪实验目的：1、了解霍尔效应实验原理2、学习“对称法”消除副效应影响的方法3、测量霍尔系数、确定样品导电类型、计算霍尔组件灵敏度等实验报告内容（原理预习、操作步骤、数据处理、误差分析、思考题解答）【实验原理】：通有电流IS的半导体薄片置于与它垂直的磁场B中，在薄片的两测就会产生电势差UH—霍尔电势差，这种现象叫霍尔效应。霍尔效应产生的原因，是因为形成电流的载流子在磁场中运动时，受到洛沦兹力F=qv×B的作用,正、负电荷在样品两测边界聚集，形成横向电场EH—霍尔电场，产生霍尔电势差UH。载流子除受到洛沦兹力F=qv×B的作用外，还受横向电场力Fe=eEH的作用，当受到洛沦兹力与横向电场力大小相等时，即eEH=qv×B(4.7.1)样品两测边界聚集的电荷不再变化，达到平衡。样品中电流强度：IS=nevbd(4.7.2)样品中横向电场Eh可认为是匀强电场，则有：UH=Ehb=ne1=RHdBIs（4.7.3）基本参数：1、霍尔系数RH霍尔系数定义：RH=ne1由材料的性质(载流子密度)决定,反映材料的霍尔效应强弱。由（4.7.3）得RH=IsBdUH上式提供了测量霍尔系数RH的方法。2、根据RH的符号判断样品导电类型N、P半导体材料有N型和P型两种，将测的UH、IS、B带入RH=IsBdUH得数为正时，样品为P型半导体，得数为正时，样品为P型半导体。物理实验中心预习分课堂分报告分总成绩实验名称：霍尔组件基本参数测量姓名：李昊时间代码：06121098763、件的灵敏度KK=neddBH1霍尔元件的灵敏度K与载流子浓度n和样品厚度d有关，由于半导体内载流子浓度远小于金属，所以选用半导体材料制作霍尔元件，厚度一般只有0.2mm。4、载流子浓度nn=eRH1上式提供了用霍尔效应实验测量并计算载流子浓度的重要方法。5、电导率σ，迁移率μσ=1/ρ=bdUlIs6、消除霍尔元件副效应影响实验中测量的霍尔元件两测的电势差U，除霍尔电势差UH外，还会有一些热磁副效应附加的一些电势差，这些附加电势差的方向与B、IS的方向有关，应用表4.7.1中对称测量法可基本消除这些影响。【操作步骤】：1、按仪器接口名称指示接好线路（注意不要接错，否则会损毁霍尔元件），IS、IM调节旋扭逆时针方向旋到底，开机预热几分钟。2、调节IM=0.6A并保持不变,“功能切换”开关和中间铡刀开关分别扳向“UH”，IS分别取1.00mA、1.50mA、2.00mA、2.50mA、3.00mA、3.50mA，分别测出UH值，每组UH值IS、B方向进行4种组合，分别测出U1、U2、U3、U4值，填入表4.7.1中。3、调节Is=0.6A并保持不变,“功能切换”开关和中间铡刀开关位置保持不变，IM分别取0.300A、0.400A、0.500A、0.600A、0.700A、0.800A时测出UH，测量数据记入表4.7.2中。4、在零磁场下（IM输入开关空位），取Im=1.5mA,中间铡刀开关置“Uσ”置，分别测量Is正、反方向的Uσ值，记入表4.7.3中。【数据处理】：表4.7.1IM=0.6AIs/mAU1/mVU2/mVU3/mAU4/mAUH=U1－U2＋U3－U4／4＋B＋Is－B＋Is－B－Is＋B－Is1.00－4.05＋3.96－3.87＋4.144.0051.50－6.13＋5.95－5.87＋6.236.0452.00－8.18＋7.91－7.83＋8.278.0482.50－10.23＋9.87－9.80＋10.3410.0603.00－12.31＋11.86－11.77＋12.3912.0833.50－14.35＋13.81－13.73＋14.4314.080实验名称：霍尔组件基本参数测量姓名：李昊时间代码：0612109876由上图：SHIU=1050.308.14　=4.023×10－3RH1=SHIUMKId=4.02×10－36.0502.03105.0－=6.67×10－3表4.7.2Is=3.00mAIM/AU1/mVU2/mVU3/mAU4/mAUH=U1－U2＋U3－U4／4＋B＋Is－B＋Is－B－Is＋B－Is0.300－6.33＋5.81－5.73＋6.356.0550.400－8.25＋7.81－7.73＋8.358.0350.500－10.26＋9.81－9.73＋.10.3510.0390.600－12.28＋11.84－11.76＋12.3812.0650.700－14.28＋13.84－13.76＋14.3814.0650.800－16.30＋15.84－15.76＋16.3716.06808.20502.08.010068.16KIUBUMHH１10—3RH2=SHIdBU20.08×10—3103105.0=6.92×10－3表4.7.3Is=0.15mAIs/mAUσ/mV换向前12.4换向后－12.5平均0.1（1）霍尔系数RHRH=292.667.6221HHRR6.795×10－3（2）根据RH的符号判断样品导电类型N、P（3）件的灵敏度K物理实验中心实验名称：霍尔组件基本参数测量姓名：李昊时间代码：0612109876K=dBH6.795×10－3/0.5×10－3=13.59（4）载流子浓度nn=eRH1=1/6.795×10－3×1.6×10－19=9.2×1020（5）电导率σσ=1/ρ=bdUlIs=0.15×10－3×3×10－/0.1×10－3×4×10－3×0.5×10－3=2.25×103（1/Ωm）(6)迁移率μμ=RHσ=6.795×10－3×2.25×103=15.29（1/T）【误差分析】1、测量仪器精度不够，部分数据只能显示2位有效数字，经运算后产生误差较大。2、做图时精度不够造成误差。【思考题】1、霍尔电压是如何产生的？它的大小、正负与那些因素有关？答：形成电流的载流子，在半导体薄片中运动时，受磁场的洛仑兹力作用，向薄片两测发生偏转，两测分别聚集正、副电荷，形成电场，从而产生电势差。2、列出霍尔系数、栽流子浓度、电导率及迁移率的计算公式，注明单位。答：霍尔系数RH：RH=IsBdUH（Ω.m/T）载流子浓度n:n=eRH1(个/m3)电导率σ：σ=bdUlIs（1/Ω.m）迁移率μμ=RHσ（1/T）【测试题】1、如何利用霍尔效应实验，判断半导体导电类型（N、P）。答：伸出左手，让磁感线穿过手心，四指指向电流方向，如姆指指向与霍尔电势差方向相同，则为N型半导体，如姆指指向与霍尔电势差方向相反，则为P型半导体。2、测量霍尔电势差时存在那些副效应影响？如何消除这些影响？答：测量霍尔电势差时会产生一些热磁副效应，给测量带来误差，如爱廷豪森效应、能斯托效应等，这些副效应产生的电势差的方向，与IS、B的方向有关。可采用对称测量法，分别改变IS、B的方向组合，测出U1、U2、U3、U4，求平均值（绝对值相加），得到UH。这样就消除了大部分副效应影响。