霍尔元件基本参数测量

实验名称：霍尔组件基本参数测量

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=基本参数： 1、霍尔系数RH

霍尔系数定义： RH=

1ne1ne=RH

IsBd （4.7.3）

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=

UHdIsB

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=

UHdIsB

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。 3、件的灵敏度K K=

BHd?1ned

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n n=

1RHe

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μ σ=1/ρ=

IslU?bd

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、2.00 mA 、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4.7.1 IM=0.6A Is/mA U1/mV ＋B＋Is 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 －4.05 －6.13 －8.18 －10.23 －12.31 －14.35 U2/mV －B＋Is ＋3.96 ＋5.95 ＋7.91 ＋9.87 ＋11.86 ＋13.81 U3/mA －B－Is －3.87 －5.87 －7.83 －9.80 －11.77 －13.73 U4/mA ＋B－Is ＋4.14 ＋6.23 ＋8.27 ＋10.34 ＋12.39 ＋14.43 4.005 6.045 8.048 10.060 12.083 14.080 UH=U1－U2＋U3－U4／4

由上图：

UHIS=

14.083.50?10　=4.023×10 RH1=

－3

UHdISKIM=4.02×10

－3

－3

=6.67×100.502?0.60.5?10－3表4.7.2 Is=3.00mA IM/A U1/mV ＋B＋Is 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 －6.33 －8.25 －10.26 －12.28 －14.28 －16.30 U2/mV －B＋Is ＋5.81 ＋7.81 ＋9.81 ＋11.84 ＋13.84 ＋15.84 U3/mA －B－Is －5.73 －7.73 －9.73 －11.76 －13.76 －15.76 U4/mA ＋B－Is ＋6.35 ＋8.35 ＋.10.35 ＋12.38 ＋14.38 ＋16.37 6.055 8.035 10.039 12.065 14.065 16.068 UH=U1－U2＋U3－U4／4

UHB?UHIM?１K?16.068?100.8?0.502?20.08?10

—3

RH2=

UHdBIS?20.08×10

—3

0.5?10－3=6.92×10 3?10表4.7.3 Is=0.15mA

Is/mA 换向前 换向后 平均 （1）霍尔系数RH

RH=

RH1?RH22?6.67?6.922?6.795×10

－3

Uσ/mV 12.4 －12.5 0.1

（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：0612109876 K=

BHd－－

?6.795×103/0.5×103

=13.59

（4）载流子浓度n n=（5）电导率σ

1RHe=1/6.795×10－3×1.6×10－19=9.2×1020

σ=1/ρ=

IslU?bd=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μ

μ=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=

载流子浓度n: n=

UHdIsB1 （Ω.m/T）

RHe (个/m3)

（1/Ω.m）

电导率σ： σ=

IslU?bd迁移率μ μ=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。