Transcript 霍尔效应

霍尔效应实验
实验目的
实验原理
实验仪器
实验内容
霍尔效应背景及意义
1879年，24岁的霍尔在研究载流金属导体在
磁场中受力时，发现了霍尔效应；但是由于金
属的霍尔效应太弱以致效果不佳，没能引起人
们的重视。约70年后，随着半导体的出现和半
导体工业的迅猛发展，人们发现半导体材料的
霍尔效应显著，才制成了实用的霍尔元件。
霍尔效应背景及意义
霍尔元件具有结构简单、体形小、寿命
长、频率响应宽（霍尔效应建立的时间约为
10-12-10-14s）等特点，在测量技术（如测磁场、
测电流等）、自动控制与信息处理等许多方
面有广泛的应用。
通过测量半导体的霍尔系数和电导率还可
以判断材料的导电类型，算出载流子浓度、
载流子迁移率等主要参数，测量霍尔系数和
电导率随温度变化的关系。
实 验 目 的
 了解霍尔效应的产生原理及副效应的产生原
理和消除方法。
 掌握不同温度下材料的霍尔系数、电导率和
霍尔迁移率的方法。
 观测载流子类型，变温下载流子类型转变，
测量载流子密度，载流子转变的临界温度。
实 验 原 理
在一块宽为w，厚度为h的半导体薄片，若在z方向加一均匀的磁场B，
在x方向通一稳恒的电流Is，则在y方向的1-3面和2-4面之间将产生一稳恒
的电位差VH=V1-3-V2-4。这一现象是霍尔首先发现的，故称霍尔效应，电位
差VH叫霍尔电压。
霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起
的偏转，这种偏转导致正负电荷的聚集，从而形成电场。电场的取向取决
于样品的导电类型。
图1 霍尔效应原理示意图
1.霍尔效应的产生过程
当半导体薄片的x方向通一稳恒电流Is，z方向加一均匀磁场B后，
半导体薄片中的载流子（空穴或电子）将受到洛伦兹力FB的作用，由
于Is方向和B垂直，故FB=evB，这个力使电荷向1-3面偏移聚积，如果e
为正，则1-3面将带正电，如果e为负， 1-3面将带负电，结果1-3面和24面将产生异号电荷的聚积，在它们之间建立起FE=e EH的作用，当载
流子受到的横向电场力和磁场力达到平衡（FE= FB）时，霍尔电压趋
向稳定。
式中：e
由 FB=evB （1）
FE=e EH （2）
可得EH=vB （3）
式中：e为载流子电量；v为载流子速度；EH为霍尔电场强度。已知半导
体薄片宽为w，两侧面间霍尔电压为VH；则
EH=
V H （4）
w
由于半导体薄片厚为h，在x方向的截面面积是S=w.h，再设半导体薄片内单
位体积电荷数为n，则
电流密度 δ=nev （5）
电流强度 Is=δ.S=nev.wh
Is
于是 v=
newh
（6）
（7）
将式（1），（4），（7）带入（3）
VH 
I B
1 IS B
.
 RH S
ne h
h
( 8)
RH 是霍尔系数单位：米3/ 库仑，是半导体材料的一个重要参数。在以上
公式的推导过程中，是假定载流子以平均速率v运动的，由于半导体薄片
中载流子的运动具有统计性，即载流子的速度不是完全相等的，并且由于
晶格的散射作用，因而对于电阻率较高的半导体材料，载流子的浓度计算
应引入3π/8的修正因子。
2.电阻率
a. 标准样品的电阻率
b. 范德堡样品电阻率
3.霍尔系数与电阻率的关系
a. 由霍尔系数的符号判断样品的导电类型
b. 结合电阻率的测量，求载流子的迁移率μ
4.霍尔效应与材料性能的关系
对于大部分的材料来说，迁移率和电阻率很低；而不良
导体的电阻率虽然很高，但迁移率仍然很小，半导体迁移
率高，电阻率适中，是最佳的选择材料。
5．VH的测量方法
VH
1
 V H 1  V H 2  V H 3  V H 4
4

实 验 仪 器
本仪器系统由可换向永磁磁铁、CME12H变温恒温器、TC202控温仪、
CVM-200霍尔效应仪等组成。
实 验 内 容
1.查看仪器、样品，并对恒温器抽真空.
2.按线路图接好线，检查确定接线正确后
开机，设定恒温器温度.
3.在室温下测量霍尔参数.
4.变温下测量霍尔参数.
样品一变温霍尔系数-温度曲线数据记录表
T(C)
-180
-160
-140
-130
-120
-110
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
VH
VM
VN
RH
n(×1022)
ρ
μ
KH
思考题
样品一属于什么类型半导体？描述其现象。