霍尔效应的研究（教案）

一．实验介绍与引入： 霍尔效应是在1879年，由美国霍普金斯大学的学生霍尔研究载流导体在磁场中的受力性质时发现的。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。在测量技术、电子技术、自动化技术等众多领域中霍尔效应得到了越来越广泛的应用。利用它可以测量某点的磁场和缝隙中的磁场,还可以利用这一效应来测量半导体中的载流子浓度及判别载流子的极性和半导体的类型。利用霍尔效应原理制成的霍尔元件（磁电传感器）大量的应用在各种自动化控制和物理实验的测量中，一辆轿车上就有30多处应用了霍尔传感器进行检测和控制。因此，在这里通过实验来探究一下霍尔元件的工作原理对大家今后的进一步学习和研究有着重要的意义。   二．实验目的与内容： 1．理解霍尔效应的物理意义； 2．学习用对称测量法消除负效应对霍尔电压的影响，测量霍尔元件的U-Is和U-IM曲线，并用图解法测量其灵敏度。 3．确定实验用霍尔元件的导电类型、载流子浓度以及迁移率。   三．实验原理和提示：(粗体部分一般需要和学生强调，其他内容按学生具体情况选择。) 1．结合图（1）简单介绍霍尔效应的原理： 当载流子受到的洛伦兹力和电场力大小相等，电荷积累达到动态平衡时，霍尔元件两侧的电压称为霍尔电压。 UH=IB/(nqd)（1） （可结合学生的预习情况，让学生独立推导上式。） 式（1）中，令KH=1/(nqd)为霍尔元件的灵敏度，由于和载流子浓度成反比，所以半导体的霍尔效应要比导体明显。 本实验通过图解法测量灵敏度，如何做？ 2．半导体有P型和N型两种类型，分别对应空穴导电和电子导电，图（1）为空穴导电示意图。 根据学生的不同情况，可简单讲一下空穴导电的基本原理。 在晶体中，正离子按一定规律在空间排列，形成周期性势场。在这种周期性势场中运动的电子的能级会形成能带。（导带、价带、带隙） 在晶体中掺杂会形成附加能带，造成价带顶产生空穴或导带底产生电子，形成半导体。 空穴其实是为了处理方便引入的，实质还是电子在导电。（在这里，对照原理图解释霍尔电压方向时会出现矛盾，一些学生会产生疑惑。原因在于，由于电子和周期势的相互影响，晶体中运动的电子的有效质量和自由电子的质量是不同的，有理论推导得到，价带顶的电子的有效质量为负值，导带底的电子的有效质量为正值。这样，问题就解决了。） 3．根据霍尔电压的正负判断载流子类型，注意要在对应好仪器的接线和原理图的接线以后再来判定。 4．实验中的负效应和消除方法 ●不等位电势差U0。（结合教材重点解释，可用对称测量法消除的原因，让学生掌握对称测量法的原理。） ●厄廷好森效应UK，由于霍尔元件横向电子动能的不同，导致温度不同，从而在两侧形成温差电动势(热电偶原理),它的正负和I、B的方向有关，始终和霍尔电压一致，所以无法用对称测量法消除。 ●能斯脱效应UN，由于纵向工作电流引线的焊接点接触电阻不同，通电后发热程度不同，形成热扩散电流，这个电流在磁场作用下也会在横向产生电势差UN。它的正负只和材料以及磁场B有关，可用对称测量法消除。 ●里纪-勒杜克效应URL，由于热扩散电流的载流子迁移速度的不同，类同于厄廷好森效应，也会在横向形成温差电动势URL，它的正负只和材料以及磁场B有关，可用对称测量法消除。   四．实验操作指导和注意事项： 1．给学生强调在实验之前一定要先认真阅读教材上的注意事项。 2．检查接线正确后再通电，注意区分工作电流和励磁电流。 3．每次改变换向开关时，要将工作电流和励磁电流调至零位，以免电流突变过大损坏仪器。建议学生在测量填表时按列测量，以提高实验效率。 4．由于实验涉及的物理量较多，提示学生注意各物理量的单位和换算关系。

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