霍尔效应实验报告 霍尔效应实验报告数据记录

          篇一：霍尔效应实验报告

      大 学

          本(专)科实验报告

          课程名称：  姓    名：  学    院：

          系：

          专    业：  年    级：  学    号：

          指导教师：  成    绩：  年    月    日

      （实验报告目录）

          实验名称

          一、实验目的和要求 二、实验原理 三、主要实验仪器

          四、实验内容及实验数据记录 五、实验数据处理与分析 六、质疑、建议

      霍尔效应实验

          一．实验目的和要求：

          1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数.

          2、测绘霍尔元件的vh?is，vh?im曲线了解霍尔电势差vh与霍尔元件控制（工作）电流is、励磁电流im之间的关系。

          3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度b及磁场分布。 4、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。5、学习用"对称交换测量法"消除负效应产生的系统误差。

          二．实验原理：

          1、霍尔效应

          霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应，从本质上讲，霍尔效应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。

          如右图（1）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（称为控制电流或工作电流），假设载流子为电子（n型

          半导体材料），它沿着与电流is相反的x负向运动。

          由于洛伦兹力fl的作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的b侧偏转，并使b侧形成电子积累，而相对的a侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力fe的作用。随着电荷积累量的增加，fe增大，当两力大小相等（方向相反）时，fl=-fe，则电子积累便达到动态平衡。这时在a、b两端面之间建立的电场称为霍尔电场eh，相应的电势差称为霍尔电压vh。

          设电子按均一速度向图示的x负方向运动，在磁场b作用下，所受洛伦兹力为

          fl=-eb

          式中e为电子电量，为电子漂移平均速度，b为磁感应强度。

          同时，电场作用于电子的力为  fe??eeh??evh/l    式中eh为霍尔电场强度，vh为霍尔电压，l为霍尔元件宽度

          当达到动态平衡时，fl??fe  ?vh/l    （1）

          设霍尔元件宽度为l，厚度为d，载流子浓度为n，则霍尔元件的控制（工作）电流为  is?ne  （2）    由（1），（2）两式可得  vh?ehl?

          ib1isb

          ?rhs  （3）

          nedd

          即霍尔电压vh（a、b间电压）与is、b的乘积

      成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比例系数rh?

          1

          称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，根据材料的电导ne

          率σ=neμ的关系，还可以得到：

          rh??/ （4）

          式中?为材料的电阻率、μ为载流子的迁移率，即 单位电场下载流子的运动速度，一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此制作霍尔元件时大多采用n型半导体材料。    当霍尔元件的材料和厚度确定时，设kh?rh/d?1/ned  （5）

          将式（5）代入式（3）中得  vh?khisb    （6）

          式中kh称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍尔电势大小，其单位是[mv/ma?t]，一般要求kh愈大愈好。

          若需测量霍尔元件中载流子迁移率μ,则有  ??

          ?l

          (7) ?

          eivi

          将(2)式、(5)式、(7)式联立求得??kh?

          lis

          ?    （8） lvi

          其中vi为垂直于is方向的霍尔元件两侧面之间的电势差，ei为由vi产生的电场强度，l、l分别为霍尔元件长度和宽度。

          由于金属的电子浓度n很高，所以它的rh或kh都不大，因此不适宜作霍尔元件。此外元件厚度d愈薄，kh愈高，所以制作时，往往采用减少d的办法来增加灵敏度，但不能认为d愈薄愈好，因为此时元件的输入和输出电阻将会增加，这对锗元件是不希望的。

          应当注意，当磁感应强度b和元件平面法线成一角度时（如图2），作用在元件上的有效磁场是其法线方向上的分量bcos?，此时

          vh?khisbcos?  (9)

          所以一般在使用时应调整元件两平面方位，使vh达到最大，即θ=0，

          图(2)

          vh=khisbcos??khisb

          由式（9）可知，当控制（工作）电流is或磁感应强度b，两者之一改变方向时，霍尔

          电压vh的方向随之改变；若两者方向同时改变，则霍尔电压vh极性不变。

          霍尔元件测量磁场的基本电路如图3，将霍尔元件置于待测磁场的相应位置，并使元件平面与磁感应强度b垂直，在其控制端输入恒定的工作

      电流is，霍尔元件的霍尔电压输出端接毫伏表，测量霍尔电势vh的值。

          三．主要实验仪器：

          1、 zky-hs霍尔效应实验仪

          图(3)

          包括电磁铁、二维移动标尺、三个换向闸刀开关、霍尔元件及引线。 2、 ky-hc霍尔效应测试仪

          四．实验内容：

          1、研究霍尔效应及霍尔元件特性

          ① 测量霍尔元件灵敏度kh，计算载流子浓度n（选做）。 ② 测定霍尔元件的载流子迁移率μ。

          ③ 判定霍尔元件半导体类型（p型或n型）或者反推磁感应强度b的方向。    ④ 研究vh与励磁电流im、工作（控制）电流is之间的关系。 2、测量电磁铁气隙中磁感应强度b的大小以及分布

          ① 测量一定im条件下电磁铁气隙中心的磁感应强度b的大小。

          ② 测量电磁铁气隙中磁感应强度b的分布。

          五．实验步骤与实验数据记录：

          1、仪器的连接与预热

          将测试仪按实验指导说明书提供方法连接好，接通电源。  2、研究霍尔效应与霍尔元件特性

          ① 测量霍尔元件灵敏度kh，计算载流子浓度n。

      （可选做）。

          a. 调节励磁电流im为0.8a，使用特斯拉计测量此时气隙中心磁感应强度b的大小。 b. 移动二维标尺，使霍尔元件处于气隙中心位置。

          c. 调节is=2.00??、10.00ma（数据采集间隔1.00ma），记录对应的霍尔电压vh填入  表（1），描绘is-vh关系曲线，求得斜率k1(k1=vh/is)。 d. 据式（6）可求得kh，据式（5）可计算载流子浓度n。 ② 测定霍尔元件的载流子迁移率μ。

          a. 调节is=2.00??、10.00ma（间隔为1.00ma），记录对应的输入电压降vi填入表4，

          描绘is-vi关系曲线，求得斜率k2（k2=is/vi）。

      b. 若已知kh、l、l，据（8）式可以求得载流子迁移率μ。

          c. 判定霍尔元件半导体类型（p型或n型）或者反推磁感应强度b的方向

          ? 根据电磁铁线包绕向及励磁电流im的流向，可以判定气隙中磁感应强度b的

          方向。

          ? 根据换向闸刀开关接线以及霍尔测试仪is输出端引线，可以判定is在霍尔元

          件中的流向。

          ? 根据换向闸刀开关接线以及霍尔测试仪vh输

      入端引线，可以得出vh的正负与

          霍尔片上正负电荷积累的对应关系

          d.  由b的方向、is流向以及vh的正负并结合霍尔片的引脚位置可以判定霍尔元件半

          导体的类型（p型或n型）。反之，若已知is流向、vh的正负以及霍尔元件半导体的类型，可以判定磁感应强度b的方向。 ③ 测量霍尔电压vh与励磁电流im的关系

          霍尔元件仍位于气隙中心，调节is=10.00ma，调节im=100、200??1000ma（间隔为100ma），分别测量霍尔电压vh值填入表（2），并绘出im-vh曲线，验证线性关系的范围，分析当im达到一定值以后，im-vh直线斜率变化的原因。

          3、测量电磁铁气隙中磁感应强度b的大小及分布情况 ① 测量电磁铁气隙中磁感应强度b的大小

          a. 调节励磁电流im为0-1000ma范围内的某一数值。 b. 移动二维标尺，使霍尔元件处于气隙中心位置。

          c. 调节is=2.00??、10.00ma（数据采集间隔1.00ma），记录对应的霍尔电压vh填入表（1），描绘is-vh关系曲线，求得斜率k1(k1=vh/is)。

          d. 将给定的霍尔灵敏度kh及斜率k1代入式（6）可求得磁感应强度b的大小。 （若实验室配备有特斯拉计，可以实测气隙中心b的大小，与计算的b值比较。）

          ② 考察气隙中磁感应强度b的分布情况

          a. 将霍尔元件置于电磁铁气隙中心，调节im=1000ma，is=10.00ma，测量相应的vh。 b. 将霍尔元件从中心向边缘移动每隔5mm选一个点测出相应的vh，填入表3。 c. 由以上所测vh值，由式（6）计算出各点的磁感应强度，并绘出b-x图，显示出气

          隙内b的分布状态。

          为了消除附加电势差引起霍尔电势测量的系统误差，一般按±im，±is的四种组合测量求其绝对值的平均值。

      五．实验数据处理与分析：

          1、测量霍尔元件灵敏度kh，计算载流子浓度n。

        根据上表，描绘出is-

        vh关系曲线如右图。

          求得斜率k1，k1=9.9 据式（6）可求出k1，

          本例中取铭牌上标注的kh=47,取实验指导说明书第3页上的d=2μm

          据式（5）可计算载流子浓度n。。。。

          2、测量电磁铁气隙中磁感应强度b的大小

          取im=800ma ，则可由b=k1/kh求出磁感应强度b的大小

          3、 考察气隙中磁感应强度b的分布情况

          根据上表，描绘出b-x关系曲线如右图，可看出气隙内b的分布状态。

          4、测定霍尔元件的载流子迁移率μ

        图。

          根据上表，描绘出is-vi关系曲线如右

          求得斜率k2

          已知kh、l、l（从实验指导说明书上可查出），据（8）式可以求得载流子迁移率μ。

          。。。。

          5、测量霍尔电压vh与励磁电流im的关系 表2

        =10.00ma

        根据上表，描绘出im-vh关系曲线如右图, 由此图可验证线性关系的范围。

          分析当im达到一定值以后，im-vh

          直线斜率变化的原因。

          。。。。。。

      6、实验系统误差分析

          测量霍尔电势vh时，不可避免地会产生一些副效应，由此而产生的附加电势叠加在霍尔电势上，形成测量系统误差，这些副效应有：    （1）不等位电势v0

          由于制作时，两个霍尔电势极不可能绝对对称地焊在霍尔片两侧（图5a）、霍尔片电阻率不均匀、控制电流极的端面接触不良（图5b）都可能造成a、b两极不处在同一等位面上，此时虽未加磁场，但a、b间存在电势差v0，此称不等位电势，v0?isv，v是两等位面间的电阻，由此可见，在v确定的情况下，v0与is的大小成正比，且其正负随is的方向而改变。

          （2）爱廷豪森效应    当元件的x方向通以工作电流is，z方向加磁场b时，由于霍尔片内的载流子速度服从统计分布，有快有慢。在达到动态平衡时，

        在磁场的作用下慢速与快速的载流子将在洛伦兹力和霍尔电场的共同作用下，沿y轴分别向相反的两侧偏转，这些载流子的动能将转化为热能，使两侧的温升不同，因而造成y方向上的两侧的温差（ta-tb）。

        图6  正电子运动平均速度  图中v??  v

          因为霍尔电极和元件两者材料不同，电极和元件之间形成温差电偶，这一温差在a、b间产生温差电动势ve，ve∝ib

          这一效应称爱廷豪森效应，ve的大小与正负符号与i、b的大小和方向有关，跟vh与i、b的关系相同，所以不能在测量中消除。    （3）伦斯脱效应

          由于控制电流的两个电极与霍尔元件的接触电阻不同，控制电流在两电极处将产生不同

          的焦耳热，引起两电极间的温差电动势，此电动势又产生温差电流（称为热电流）q，热电流在磁场作用下将发生偏转，结果在y方向上产生附加的电势差vh且

          vn∝qb这一效应称为伦斯脱效应，由上式可知vh的符号只与b的方向有关。    （4）里纪-勒杜克效应

          如（3）所述霍尔元件在x方向有温度梯度

          dt

          ，引起载流子沿梯度方向扩散而有热电 dx

          流q通过元件，在此过程中载流子受z方向的磁场b作用下，在y方向引起类似爱廷豪森效应的温差ta-tb，由此产生的电势差vh∝qb，其符号与b的的方向有关，与is的方向无关。    为了减少和消除以上效应引起的附加电势差，利用这些附加电势差与霍尔元件控制（工作）电流is，磁场b（既相应的励磁电流im）的关系，采用对称（交换）测量法进行测量。    当?im，?is时    vab1?vh?v0?ve?vn?vr    当?im，?is时    vab2??vh?v0?ve?vn?vr    当?im，?is时    vab3??vh?v0?ve?vn?vr    当?im，?is时    vab4??vh?v0?ve?vn?vr    对以上四式作如下运算则得：

          1

          (vab1?vab2?vab3?vab4)?vh?ve 4

          可见，除爱廷豪森效应以外的其他副效应产生的电势差会全部消除，因爱廷豪森效应所产生的电势差ve的符号和霍尔电势vh的符号，与is及b的方向关系相同，故无法消除，但在非大电流、非强磁场下，vh>>ve,因而ve可以忽略不计, vh≈vh?ve

          ?

          v1?v2?v3?v4

          。

          4

          一般情况下，当vh较大时，vab1与vab3同号，vab2与vab4同号，而两组数据反号，故

          (vab1?vab2?vab3?vab4)/4?(|vab1|?|vab2|?|vab3|?vab4|)/4 即用四次测量值的绝对值之和求平均值即可。

          六、质疑、建议

          篇二：霍尔效应实验报告 (1)

      霍尔效应实验

          一、实验目的

          1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用

          2．测绘霍尔元件的vh-is，vh-im曲线，了解霍尔电势差vh与霍尔元件工作电流is，磁场应强度b及励磁电流im之间的关系。 3．学习利用霍尔效

      应测量磁感应强度b及磁场分布。 4．学习用"对称交换测量法"消除负效应产生的系统误差。

          二、实验仪器

          霍尔效应实验仪和测试仪

          三、实验原理

          运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起偏转，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（霍尔电场），这就是霍尔效应的本质。由于产生霍尔效应的同时，伴随多种副效应，以致实测的霍尔电场间电压不等于真实的vh值，因此必需设法消除。根据副效应产生的

      机理，采用电流和磁场换向的对称测量法基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。具体的做法是is和b（即im）的大小不变，并在设定电流和磁场的正反方向后，依次测量由下面四组不同方向的is和b（即im）时的v1，v2，v3，v4，

          1）+is    +bv1 2）+is    -b v2 3）-is    -bv3 4）-is    +b v4

          然后求它们的代数平均值，可得：

      vh?

          v1?v2?v3?v4

          4

          通过对称测量法求得的vh误差很小。

          四、实验步骤

          1.测量霍尔电压vh与工作电流is的关系

          1）先将is，im都调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为0mv。 2）将霍尔元件移至线圈中心，调节im =0.45a，按表中所示进行调节，测量当im正(反)向时, is正向和反向时的vh值填入表1，做出vh-is曲线。

          表1vh-is  关系测量表 im =0.45a

        2．测量霍尔电压vh与励磁电流im的关系

      1）先将is调节至4.50ma。

          2）调节励磁电流im如表2，分别测量霍尔电压vh值填入表2中。 3）根据表2中所测得的数据，绘出im-vh曲线

          表2vh-im 关系测量表is =4.50ma

        五、实验结论

          1、 当霍尔电压保持恒定，改变励磁电流时，测量得到的霍尔电压随励磁电流的增加而增加，

          通过作图发现二者之间也满足线性关系。

          2、 当励磁电流保持恒定，改变霍尔电流时，测量得到的霍尔电压随霍尔电流的增加而增加，

          通过作图发现二者之间满足线性关系。

          六、实验中的注意问题

          1、 不要带电接线，中间改变电路时，一定要先关闭电源，再连接电路。

          2、 实验完成后要整理实验仪器，先关闭电源，再将电线拆下，捋好后放在实验仪器的右侧。 3、 作图要使用铅笔，先描点，描点要清晰，然后使用平滑曲线连接各点。

          七、思考题

          1、 实验的原理是什么？

          答：法拉第电磁感应原理。 2、 对探测线圈的要求是什么？

      答：线圈面积要大小合适，太大无法反映各点磁场的情况，太小则感应电压小，不利于测量。

          3、 感应法测磁场为什么不用一般的电压表？

          答：因为被测量的电压是交流毫伏量级。 4、 是否能利用本方法测量稳恒磁场？

          答：不能，因为根据法拉第电磁感应原理静止探测线圈在稳恒磁场中感应电动势为零。

          篇三：霍尔效应实验报告(附带实验结论)

      《霍尔效应》参考实验报告附带结论

          实验目的

          1.了解霍尔效应实验原理。

          2.测量霍尔电流与霍尔电压之间的关系。 3.测量励磁电流与霍尔电压之间的关系。 4.学会用"对称测量法"消除负效应的影响。

          实验仪器

          霍尔效应实验仪。 实验步骤

          1.正确连接电路，调节霍尔元件处于隙缝的中间位置。

          2.测量不等位电势。令励磁电流im=0ma，霍尔电流ih=1.00ma，2.00ma，?，10.00ma，测量霍尔元件的不等位电势随霍尔电流的对应关系。

          2.测量霍尔电流ih与霍尔电压uh的关系。令励磁电流im=400ma,调节霍尔电流ih=1.00ma，2.0

      0ma，?，10.00ma（每隔1.0ma改变一次），分别改变励磁电流和霍尔电流的方向，记录对应的霍尔电压。 3.测量励磁电流im与霍尔电压uh的关系。令霍尔电流ih=8.00ma，调节励磁电流im=100.0ma，200.0ma，?，1000.0ma（每隔100.0ma改变一次），分别改变励磁电流和霍尔电流的方向，记录对应的霍尔电压。

          实验数据记录及处理 （1）测量不等位电压

          （2）测量霍尔电流和霍尔电压的关系(im=400ma)

        （3）测量励磁电流和霍尔电压的关系(ih=8.00ma)

        实验结论

          1、 当励磁电流im=0时，霍尔电压不为0，且随着霍尔电流的增加而增加，通过作图发现二者满足线性关系。说明在霍尔元件内存在一不等位电压，这是由于测量霍尔电压的两条接线没有在同一个等势面上造成的。

          2、 当励磁电流保持恒定，改变霍尔电流时，测量得到的霍尔电压随霍尔电流的增加而增加，通过作图发现二者之间满足线性关系。 3、 当霍尔电压保持恒定，改变励磁电流时，测量得到的

      霍尔电压随励磁电流的增加而增加，通过作图发现二者之间也满足线性关系。 注意事项：

          1. 不要带电接线，中间改变电路时，一定要先关闭电源，再连接电路。

          2. 实验完成后要整理实验仪器，先关闭电源，再将电线拆下，捋好后放在实验仪器的右侧。

          3. 仪器开机前应将im、ih调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小，然后再开机。关机前，应将im、ih调节旋钮逆时针方向旋到底，然后切断电源

          4. 电源开机后预热几分钟，即可进行实验。

          5. 在实验过程中试验仪的uh开关应至始至终保持闭合，否则会为"1"或数字跳动现象。

          6. 改变ih或霍尔元件过程应断开试验仪上的im换向开关以防长时间通电而发热，导致霍尔元件升温影响实验结果。

          篇四：霍尔效应实验报告(附带实验结论)

      《霍尔效应》参考实验报告附带结论

          实验目的

          1.了解霍尔效应实验原理。

          2.测量霍尔电流与霍尔电压之间的关系。 3.测量励磁电流与霍尔电压之间的关系。 4.学会用"

      对称测量法"消除负效应的影响。

          实验仪器

          霍尔效应实验仪。 实验步骤

          1.正确连接电路，调节霍尔元件处于隙缝的中间位置。

          2.测量不等位电势。令励磁电流im=0ma，霍尔电流ih=1.00ma，2.00ma，?，10.00ma，测量霍尔元件的不等位电势随霍尔电流的对应关系。

          2.测量霍尔电流ih与霍尔电压uh的关系。令励磁电流im=400ma,调节霍尔电流ih=1.00ma，2.00ma，?，10.00ma（每隔1.0ma改变一次），分别改变励磁电流和霍尔电流的方

      向，记录对应的霍尔电压。 3.测量励磁电流im与霍尔电压uh的关系。令霍尔电流ih=8.00ma，调节励磁电流im=100.0ma，200.0ma，?，1000.0ma（每隔100.0ma改变一次），分别改变励磁电流和霍尔电流的方向，记录对应的霍尔电压。

          实验数据记录及处理 （1）测量不等位电压

          （2）测量霍尔电流和霍尔电压的关系(im=400ma)

        （3）测量励磁电流和霍尔电压的关系(ih=8.00ma)

        实验结论

          1、 当励磁电流im=0时，霍尔电压不为0，且随着霍尔电流的增加而增加，通过作图发现二者满足线性关系。说明在霍尔元件内存在一不等位电压，这是由于测量霍尔电压的两条接线没有在同一个等势面上造成的。

          2、 当励磁电流保持恒定，改变霍尔电流时，测量得到的霍尔电压随霍尔电流的增加而增加，通过作图发现二者之间满足线性关系。 3、 当霍尔电压保持恒定，改变励磁电流时，测量得到的

      霍尔电压随励磁电流的增加而增加，通过作图发现二者之间也满足线性关系。 注意事项：

          1. 不要带电接线，中间改变电路时，一定要先关闭电源，再连接电路。

          2. 实验完成后要整理实验仪器，先关闭电源，再将电线拆下，捋好后放在实验仪器的右侧。

          3. 仪器开机前应将im、ih调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小，然后再开机。关机前，应将im、ih调节旋钮逆时针方向旋到底，然后切断电源

          4. 电源开机后预热几分钟，即可进行实验。

          5. 在实验过程中试验仪的uh开关应至始至终保持闭合，否则会为"1"或数字跳动现象。

          6. 改变ih或霍尔元件过程应断开试验仪上的im换向开关以防长时间通电而发热，导致霍尔元件升温影响实验结果。

          篇五：霍尔效应实验报告参考

      华南农业大学信息软件学院 实验报告

          课程：大学物理实验    学期：2012-2013第一学期  任课老师：*** 专业班级：**************学号：**************  姓名：***

          评分：

          实验3  霍尔效应的应用

          一． 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. 测量霍尔元件的曲线，了解霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流之间的系。 3. 学习用对称测量法消除副效应的影响，测量试样的和曲线。 4. 确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。

          二． 实验仪器设备

          th-h  型霍尔实验组合仪由试验仪和测试仪组成

        1.实验仪： 本实验仪由电磁铁、二维移动标尺、三个换向闸 刀开关、霍尔元件组成。c型

          电磁铁，给它通以电流产生磁场。 二维移动标尺及霍尔元件；霍尔元件是由n型半导体材料制成的，将其固定在二维移动标尺上，将霍尔元件放入磁铁的缝隙之中，使霍尔元件垂直放置在磁

      场之中，在霍尔元件上通以电流，如果这个电流是垂直于磁场方向的话，则在垂直于电流和磁场方向上导体两侧会产生一个电势差。 三个双刀双掷闸刀开关分别对励磁电流，工作电流  霍尔电压  进行通断和换向控制。右边闸刀控制励磁电流的通断换向。左边闸刀开关控制工作电流的通断换向。中间闸刀固定不变即指向一侧。

        2.测试仪

          测试仪有两组独立的恒流源，即"输出"为0～10ma给霍 尔元件提供工作电流的电流源，"输出"为0～1a为电磁铁提供电流的励磁电流源。两组电流源相互独立。两路输出电流大小均连续可调，其值可通过"测量选择"键由同一数字电流表进行测量，向里按"测量选 择"测，放出键来测。电流源上有is调节旋钮和im调节旋钮。

          直流数字电压表用于测量霍尔电压，本实验只读霍尔电压、所以将中间闸刀开关拨向上面即可。当显示屏上的数字前出现"-"号时，表示被测电压极性为负值。

        三． 实验的基本构思和原理

          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。由于带电粒子（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集，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。然而在产生霍尔效应的同时，因伴着多种副效应，以致实验测得的两极之间的电压并不等于真的值，而是包含着各种副效应引起的附加电压，因此必须设法消除。根据副效应产生的机理可知，采用电流和磁场换向的所谓对称测量法，基本上能够把副效应的影响从测量的结果中消除。具体做法是和大小不变，并在设定电流和磁场的正反方向后，依次测量由下列四组不同方向的和组合的两点之间的电压v1,v2,v,.v4,即 +is，+b，v1+is，--b，v2    --is，--b，v3    --is，+b，v4，

          然后求上述四组数据v1，v2，v3，v4的代数平均值，可得

          vh=(v1-v2+v3-v4)/4

      通过对称测量法求得的vh，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以不计。 四．实验基本步骤

          (1)  按连接测试仪和实验仪之间相应的i s  、v s 和i m 各组连线，i s 及im换向开关投向上方，表明i s 及im均为正值，反之为负值。v h 、vo 切换开关投向上方测vh，投向下方测vo 。 (2)对测试仪进行调零。将测试仪的两个调节旋钮均置零位，待开机数分钟后若v h,显示不为零，可通过面板左下方小孔的"调零"电位器实现调零，即"0. .00"。

          (3)测绘切换vh- 值。将开关"v h 、vo "投向v h测，测试仪的功能切换置vh，保持im值不变，测绘vh-is曲线。

          (4)测绘vh-im值。实验仪及试验仪各开关位置同上。保持半导体的电流i s不变，测绘vh-im曲线。 (5)测量vo 值。将切换开关"v h 、vo "投向v o测，在零磁场下，取i s=2.00ma，测量vo。 (6)确定样品的导电类型。将实验仪三组双刀开关均投向上方，毫伏表测量电压为vaa,取 i s=2.00ma，-，im=0.6a ，测量v h 大小及极性，判断样品导电类型。 (7) 求样品r h ,n,o,u 值。

          五．实验数据记录及处理

          绘制vh-is 曲线数据表

        其中电流范围：im=0.6a；is=1.00~4.00ma

          绘制vh-im  曲线数据表

        其中电流范围：is=3.00ma；im=0.300~0.800a。vo=1mv，d=0.5mm，

          由表画出v  h---im关系线：

      由表画出v h -i s关系线：

          相关数据计算  r h=（vh*d）/(i s*b)=1.06*10^-2(m.v)/(a.t)

          u=|rh|o =? .

          n=1/|rh|e=6.4*10^（20）（m-3） o=l*i/(s*u)=？

          五．实验结论：

          1. 当励磁电流im=0时，霍尔电压不为0，且随着霍尔电流的增加而增加，通过作图发现二者满

          足线性关系。说明在霍尔元件内存在一不等位电压，这是由于测量霍尔电压的两条接线没有在同一个等势面上造成的。

          2.当励磁电流保持恒定，改变霍尔电流时，测量得到的霍尔电压随霍尔电流的增加而增加，通过作图发现二者之间满足线性关系。

          3.当霍尔电压保持恒定，改变励磁电流时，测量得到的霍尔电压随励磁电流的增加而增加，通

      过作图发现二者之间也满足线性关系

          六．注意事项：

          1..不要带电接线，中间改变电路时，一定要先关闭电源，再连接电路。

          2..实验完成后要整理实验仪器，先关闭电源，再将电线拆下，捋好后放在实验仪器的右侧。 3..仪器开机前应将im、ih调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小，然后再开机关机前，应将im、ih调节旋钮逆时针方向旋到底，然后切断电源 4..电源开机后预热几分钟，即可进行实验。

          5..在实验过程中试验仪的uh开关应至始至终保持闭合，否则会为"1"或数字跳动现象。 6..改变ih或霍尔元件过程应断开试验仪上的im换向开关以防长时间通电而发热，导致霍尔元件升温影响实验结果。

          篇六：大学物理实验报告系列之霍尔效应

      大学物理实验报告

        )

        篇七：霍尔效应实验报告

      霍尔效应-材料电传导特性测量

          一．实验目的

          详见预习报告

          二. 实验原理

          详见预习报告

          三．实验步骤与数据记录

          仪器型号：dhd8012型程控换相电源 cvm-2000型电输运性质测试仪 1．按实验装置图检查测试系统各组件和连线；

          2. 打开电特性测试仪开关，预热半小时；打开励磁电源开关，预热半小时；并将励磁电源设置为自动扫描；

          3. 测量电磁铁的磁场与励磁电流的关系

          （1）将恒流源的电流端和微伏表上的霍尔电压测试端与霍尔元件上的相应端点连接。设置恒流源的输出电流is分别为3ma,2ma,1ma,然后将励磁电流im通过计算机调整到5a，按步长0.5a将电流减小到0，换向后反方向增加到-5a。测出每一点霍尔器件输出的霍尔电压； （2）由公式b?

          uhd

          ,计算不同励磁电流对应的磁场值，并绘出b-im曲线（霍尔元件的isrb

          d

          ?52.5gs/?）性能参数； rb

          （3）所记录的数据如下表：

          表1.测量磁场电流与电磁铁磁场的关系

        图1.励磁电流im与磁场b关系图

          用matlab拟合曲线得关系式为b = -946.6*im -250; r-square:1; adjusted r-square:1; rmse:9.768

          4. 测量半导体样品的电阻率、霍尔系数，确定半导体样品中的载流子浓度和迁移率 锑化铟样品薄膜厚度d=0.47mm （1）样品电阻率的测量：不加磁场而通以正电流，给ab和ad通以恒定电流i，测量vdc（+i）和vbc（+i）；改变电流方向测量vdc（-i）和vbc（-i）；由上述数据，据式

          ??

          v??d(v1?v2)

          ??f(1)可获得半导体样品的平均电阻率ρ2in2iv2

          ；

          所记录数据如下：

          ①i从a→b (v1)，i=10ma，测得vdc = 0.122mv; i=-10ma,测得vdc'= -0.112mv； ②i从a→d (v2)，i=10ma，测得vbc = 0.129mv; i=-10ma,测得vbc'= -0.119mv； ①q?

          v10.129f()?0.99952（用matlab计算), , ?1.057

          v20.122

          ?1?2.64*10?5??m ?2?2.64*10?5??m

          v10.119f()?0.99946（用matlab计算）, ②q??1.063,

          v20.112

          ??

          ?1??2

          2

          ?2.64*10?5??m

          (2)霍尔电压的测量：固定磁场大小（通过调节励磁电流大小，并考虑电磁铁磁芯的剩磁），

          选取恒流源电流的大小，分别改变电流和磁场的方向，利用

          v?vh?ve?

          1

          [(vy)1?(vy)2?(vy)3?(vy)4]得到所用半导体样品的霍尔电压值，求出4

          霍尔系数；在此基础上，改变恒流电源电流大小，测量5个点，取平均值。 所记录数据如下： i

      m = 4.500a

          表2. 恒流源电流与霍尔电压关系表

        r?

          h ?rb?, rb?h

          idb?i

          由关系式b = -946.6*im -250知，当im = 4.500a时，b = -4509.7gs; d=0.47mm

          -83

          rb平均值 =1.397*10m/c 判断得出载流子为负

      电荷；

          rb?1/nq，q=1.602*10-19c, n = 4.468*1026m-3，即为载流子浓度；

          5．测量铁磁金属薄膜材料的反常霍尔效应；在此基础上，得到该铁磁导体样品的矫顽力 （1）把铁磁薄膜材料样品连好，打开电脑，执行程序hall.exe；

          （2）计算机将完成数据的采集工作，并将所测铁磁性薄膜样品的磁滞回线画出。根据所测样品的磁滞回线，判断其磁各向异性方向并计算出材料的矫顽力； 所测数据用origin画出的图形如下：

          图2.磁性薄膜的反常霍尔效应曲线

          先画一条直线h=0，与磁滞回线相交于两点，求出这两点纵坐标的中点mo; 画出m = mo，与磁滞回线相交于h1和h2，两者绝对值取平均，就是矫顽力。最后求得其矫顽力3710gs，磁化方向垂直膜面。

          四．实验分析与讨论

          1.电流较小，观察到磁场电流绝对值相同时，在同一励磁电流下，正向磁场电流比反向磁场电流对应的磁场绝对值大，为电磁铁铁芯存在剩磁的缘故； 2.测量霍尔电压时采用v?vh?ve?

          1

          [(vy)1?(vy)2?(vy)3?(vy)4]，用此方法可以消4

          除除了爱廷豪森效应以外的其他几个附加电势

      差-能斯特效应、里纪勒杜克效应等，因为爱森豪廷效应所引起的误差约为5%，所以可以认为上述结果就是霍尔电压。实验中，第二步

      和第三步改变电流方向时，测量动作要快，由帕尔帖效应引起的温度梯度来不及改变方向时就应测量完毕，这样热流方向就不会变化，能斯特效应和里纪勒杜克效应就只取决于磁场； 3. 用计算机扫描样品的磁滞回线时，初次使用时扫描范围应大一些，步长也大一些，这样可以在较短时间内看出磁滞回线的大致轮廓，而后调整扫描范围，缩短步长，直到得到较为理想的曲线；

          4. 测量铁磁金属薄膜材料的反常霍尔效应的实验中，在一开始我们测出的曲线十分异常，推测为样品与仪器接口接触不良或样品有损坏等原因

      造成。在重新安装样品确认所有接口都正常接触的情况下曲线仍然异常（无法闭合），故肯定为样品损坏致使其无法体现反常霍尔效应；更换样品后这一现象消失。 五．实验小结

          1.电磁铁的磁场与励磁电流的关系：b = -946.6 * im -250，呈线性； 2.半导体样品的电阻率ρ=2.64*10?5??m；

          -83

          3.所测样品载流子为负电荷，霍尔系数rb=1.397*10m/c；载流子浓度n = 4.468*1026m-3；

          4.铁磁导体样品的矫顽力=3710gs。

          参考文献

          《光电信息科学与技术专业实验讲义》 复旦大学光科学与工程系 2012年8月

          篇八：霍尔效应的应用实验报告

      一、 名称：霍尔效应的应用 二、 目的：

          1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用

          2．测绘霍尔元件的vh-is，vh-im曲线，了解霍尔电势差vh与霍尔元件工作电流is，磁场应强度b及励磁电流im之间的关系。 3．学习利用霍尔效应测量磁感应强度b及磁场分布。 4．学习用"对称交换测量法"消除负效应产生的系统误差。

          三、 器材：

          1、实验仪：

        （1）电磁铁。 （2）样品和样品架。

          （3）is和im 换向开关及vh 、vó 切换开关。 2、测试仪： （1）两组恒流源。 （2）直流数字电压表。

          四、 原理：

          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15-1所示的半导体试样，若在x方向通以电流is ，在z方向加磁场b，则在y方向即试样

      a-a/  电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的

      指向取决于试样的导电类型。对图所示的n型试样，霍尔电场逆y方向，（b）的p型试样则沿y方向。即有

          eh

        (y)?0  ?(n型)eh(y)?0  ?(p型)

          显然，霍尔电场eh是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力eeh与洛仑兹力eb相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故

          eeh?eb    （1）其中eh为霍尔电场，v是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

          设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n ，则

          is?nebd  （2）  由（1）、（2）两式可得：vh

          1ne

          ?ehb?

          1isbne

          d

          ?rh

          isbd

          (3)

          即霍尔电压vh（a 、a／电极之间的电压）与isb乘积成正比与试样厚度d成反比。比例系数rh

          ?

          称为

          只要测出vh （伏）以及知道is（安）、b（高斯）和d（厘米）可按下式计算rh（厘米3／库仑）：rh＝

          vhdisb

          ?10

          8

          （4）

          上式中的108是由于磁感应强度b用电磁单位（高斯）而其它各量均采用cgs实用单位而引入。

          由于产生霍尔效应的同时，伴随多种副效应，以致实测的霍尔电场间电压不等于真实的vh值，因此必需设法消除。根据副效应产生的机理，采用电流和磁场换向的对称测量法基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。具体的做法是is和b（即im）的大小不变，并在设定电流和磁场的正反方向后，依次测量由下面四组不同方向的is和b（即im）时的v1，v2，v3，v4，

          1）+is    +bv1 2）+is    -b v2 3）-is    -bv3 4）-is    +b v4

          然后求它们的代数平均值，可得：

          vh?

          v1?v2?v3?v4

          4

      通过对称测量法求得的vh误差很小。

          另一方面，射载流子浓度为n,薄片厚度为d,则电流强度i与u的关系为：

          i?bdnqu??(5)，则可得到 vbb??

          1ibnqd

          ??(6)，令r?

          1nq

          ，则vbb??r

          ibd

          ??

          (7)，r称为霍尔系数，它体现了材料的霍尔效应大小。根据霍尔效应制作的元件称

          为霍尔元件。

          在应用中，(6)常以如下形式出现：vbb??khib ??(8) ，式中k

          为霍尔元件灵敏度，i称为控制电流。

          可见，若i、kh已知，只要测出霍尔电压vbb'，即可算出磁场b的大小；并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子，p型半导体多数载流子为空穴),则由vbb'的正负可测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。

          由于霍尔效应建立所需时间很短(10-12~10-14s),因此霍尔元件使用交流电或者直流电都可。指示交流电时，得到的霍尔电压也是交变的，i和vbb'应理解为有效值。

          h

          ?

          rd

          ?

          1nqd

          称

          五、 步骤：

          1、测量霍耳电压vh与工作电流is的关系。

          ① 对测试仪进行调零。将测试仪的"i

          s

          调节"和"im调节"旋钮均置零位，

          待开机数分钟后若vh显示不为零，可通过面板左下方小孔的"调零"电位

          器实现调零，即"0.00"。

          ② 测绘v

          h

          -is曲线。将实验仪的"vh，v?"切换开关投向vh侧，测试仪的

          "功能切换"置vh，保持im值不变（取im=0.6a），绘制vh-is曲线。 2、测量霍耳电压vh与工作电流im的关系。

          实验仪与测试仪各开关位置同上。保持半导体的电流is不变（取=300ma），绘制vh-im曲线。

          3、测量v?值。将切换开关"vh，v?"投向v?侧，"功能切换"置v?。在零

          is

          磁场下，取is=2.00ma，测量v?。

          4、确定样品的导电类型。将实验仪三组双刀开关均投向上方，即is沿x方向，b沿z方向。毫伏表测量电压为vaa?。取is=2.00ma  im=0.6a，测量vh大小及极性，判断样品导电类型。 5、 求样品rh，n，?，μ值。

      六、 记录：

          1．测绘uh?is曲线，保持im=0.6a、is=1.00~4.00ma不变，在表格中记录霍

        2．测绘uh

        ?im曲线，保持is=3.00ma；im=0.300~0.800a不变，在表格中记

        测得：v?=130.6mv

          vh=-5.40mv

          七、 数据处理：

          1、根据数据表作出曲线图：

        2、在零磁场下，取is=2.00ma，测出v?=130.6

      mv

          3、确定样品的导电类型。测出霍耳电压vh=-5.40mv<0,故样品属n型。 4、求样品rh，n，?，μ值。 (1)由rh?得

          rh??

          ?(6.16?10

          ?3

          vhdisb

          ?

          vh

          d

          is0.1x?im

          ?3

          分别求出表1、2的rh，再求出其平均值rh、rh?，

          ?3

          ?3

          ?3

          ?3

          ?6.16?10?6.14?10?6.16?106

          ?3

          ?6.14?10?6.16?10)

          ?3

          ??6.15?10(vm/at)

          ?3

          rh

          ?(6.02?10

          ?3

          ?5.96?10

          ?3

          ?3

          ?5.99?10

          ?3

          ?6.0?10

          ?3

          ?6.03?10

          ?3

          ?6.09?10)

          6

          ??6.02?10(vm/at)

          ?3

          故rh=

          ?(6.15?10

          1

          ?6.02?10)2

          1

          6.09?10

          ?3

          =?6.09?10（vm/at）

          ?19

          ?3

          （2）n?（3）?=

          |rh|eislu?s

          ?

          ?1.6?10

          ?1.03?10(at/(v?m?c))

          21

          ?22.06(a/vm)

          (4)??|rh|??6.09?10?3?22.06?0.13(t?1)

          八、 预习思考题：

          1、霍耳元件为什么要用半导体材料，而且要求做得很薄？霍尔电压是如何产

          生的？

          答：半导体材料的迁移率?高，电阻率?适中，是制造霍耳器件较理想的材料。

          2、 工作电流和磁场为什么要换向？实际操作时如何实现？

          答：为了把产生霍耳效应的时候所伴随的副效应的影响从测量的结果中消除。实际操作时通过切换实验仪三组双刀开关改变电流和磁场的方向。

          u?分别表示什么含义？is、im的作用分别是什么？ uh、3、 回答is、im、

          答：is表示样品工作电流；im表示励磁电流；uh表示存在磁场时的霍耳电压；u?表示在零磁场下的霍耳电压。is的作用是改变电流大小和方向，im的作用是改变磁场的大小及方向。

      4、 霍耳效应有哪些应用？

          答：在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、abs系统中的速度传感

      器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器。

          九、操作后思考题：

          1、

          如何精确测量霍耳电压？本实验采用什么方法消除各种附加电压？

          答：设法消除产生霍尔效应时伴随的多种副效应。本实验采用电流和磁场换向的所谓对称测量法。

          2、磁场不恰好与霍耳片的法线一致，对测量结果有何影响？

          答：磁场不与霍尔片垂直，只有其法向分量能起作用，即霍尔片产生的霍尔电压会减小。

          3、 能否用霍耳元件片测量交变磁场？若能，怎样测量？

          答：能。

          4、 如何根据i，b和vh的方向，判断所测样品为n型半导体还是p型半导体？

          答：先设定i，b和vh的参考正方向：例如设定i从左向右为正，b垂直纸面向内为正，正电荷向上偏转，则vh从下向上为正。然后将测量仪器按参考正方向连接。电流表要左边接红表笔，右边接黑表笔，电压表要下表面接红表笔，上表面接黑表笔。然后将i，b均调为正，观察电压表的正

      负。根据u?kib，如果电压表为负数，则灵敏度k?0，电子导电，n型半导体；如果电压表为正数，k?0，空穴导电，p型半导体。 5、

          请根据欧姆定律推导出??答：欧姆定律r?故电导率??6、

          islu?s

          ui

          islu?sls

          （电导率?为电阻率?的倒数）。

          ui??

          ls?1l

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          本实验的误差的主要误差有哪些，这些误差对实验有何影响？

          答：主要误差有：测量工作电流的电流表的测量误差，测量霍尔器件厚度d的长度测量仪器的测量误差，测量霍尔电压的电压表的测量误差，磁场方向与霍尔器件平面的夹角影响等。这些误差会影响霍耳系数rh的计算，从而影响到载流子浓度n和迁移率?的计算。