变温霍尔效应测试系统使用说明书
变温霍尔效应测试系统使用说明书
一、概述
本仪器系统由可换向永磁磁铁、SV－12变温恒温器、控温仪、CVM－200电输运性质测试仪、连接电缆和装在恒温器内冷指上的霍尔探头、标准样品组成。本仪器用于霍尔效应、载流子类型、载流子类型转变的演示和学生实验。也可焊脱恒温器内随机样品的引线，换上用户样品，用于科学研究；例如变温磁阻、超导、电阻温度特性、变温光电、变温磁光（需另购带光学窗口的尾套）等。具有用途广、造价低、使用方便等特点。
为本仪器系统专门研制的CVM－200电输运性质测试仪将恒流源、四位半微伏表及霍尔测量中复杂的切换继电器——开关组装成一体，大大减化了实验的连线与操作。CVM－200还可单独做四位半数显恒流源和微伏表使用。
本系统选用的标准样品，在低温下是典型的P型半导体，而在室温下又是典型的N型半导体，相应的测试磁场并不高，但霍尔电压高，降低了对系统仪表灵敏度、磁铁磁场的要求，降低了系统售价。
二、主要技术指标
本系统各部件均有独立的使用说明和详细的技术指标，此处只列出系统的主要技术指标：
◆磁场：大于4000高斯
◆样品电流：2纳安～200毫安
◆测量电压：2微伏～2000毫伏
◆控温精度：可达±0.2℃/30分钟（与实验技巧有关）
◆最小分辨率：0.01℃/K
◆变温范围：80K～320K
◆恒温器液氮容量：200毫升
◆静态液氮保持时间：4～6小时（与预抽真空有关）
三、系统的安装与连线
用户收到货物后，经开箱检验无明显运输损伤后即可开始安装调试。先将永磁铁放置在工作台上，再将恒温器插入永磁铁正中的孔中。图1是永磁铁的俯视结构示意图。实验时实验者可将可换向永磁铁的不锈钢座平放在工作台上，顶部长圆滑动孔横置在实验者左前方，转动中间黑色的磁体，使上面的商标面对实验者。此时磁场方向与商标垂直，N极在靠近实验者一边。将中间黑色的磁体转动180°即可使磁场反向。将恒温器在长圆滑动孔中向左滑动平移就可以将样品移到无磁场区域。
将恒温器与控温仪及CVM-200用专用信号电缆连接，将CVM-200的电压表量程置于2000毫伏档，电流源置于2毫安档，插接上仪器电源线并打开电源供电。为防止漏电伤人，所用电源要有可靠的专用地线。供电后如果控温仪的右下方加热红灯亮，或温度持续上升，请立即逆时针旋转设定温度旋纽，以调低设定温度。
如果温度失控，请立即断电，并设法修理仪器。如图2所示，用随机附带的三接头电缆将所有仪器连接起来。为了方便用户将来检查、维修，下列表1给出了19芯线插头的色标、用途及连接对象，图3给出了样品接线定义，表2给出了霍尔测量仪的开关选择与样品内的电流流向、电压方向与微伏表接法。
S 磁极
后支撑板
黑色方铁轭磁路长圆滑动孔中心孔
左支撑板钕铁硼磁极右支撑板
图1、可换向永磁磁铁俯视结构示意图
SV-12变温恒温器可换向永磁铁控温仪 CVM-200表
图1、变温霍尔效应仪系统接线示意图
N S S
S
N
表1
注：13、14、15、16接温度计Pt100，I＋表示电流输入正极，V＋表示电压输出正极，I－表示电流输入负极，V－表示电压输出负极。
M
P
a)范德堡法 b)标准样品法
图3、霍尔测量的样品焊线定义
A为微伏表正端VHi，B为微伏表负端VLo
四、样品
本仪器中的两块样品均为范德堡法样品，其电阻率较低。
◆1号样品（S1）：美国Lakeshore公司HGT-2100高灵敏霍尔探头，
工作电流 mA，室温下的灵敏度为特斯拉/伏
◆2号样品（S2）：厚 mm，最大电流
五、仪器使用与实验方法
1．磁场的标定：系统中的S1为已在室温下标定过的霍尔探头，在室温下用开关选择样品S1，并使恒温器位于可换向永磁磁铁的中心，恒温器真空抽口垂直于标签面。开机后快速将恒流源输出调到mA，此时CVM-200的微伏表伏读数即为磁场的特斯拉数。霍尔探头最大电流为10mA！
2．室温下的霍尔测量：将19芯电缆与恒温器连接好，样品开关选择标准样品S2，调整样品电流到
50.00mA，开机预热半小时。测量时，将恒温器放置在磁场正中心，按下开关V H，测霍尔电压V H1，
如果电压较小，改到200mV或20mV档；按电流换向开关，测V H2；将黑色的永磁磁体转180°后再测V H3；电流换向，测V H4；将恒温器水平左移，使样品处的磁场为0，按V M开关，测V M1；按电流换向开关，测V M2。按V N开关，测V N1；按电流换向开关，测V N2。
3．变温测量：取出恒温器中心杆，注入液氮（依测量点的多少决定加液氮量），其余依SV-12低温恒温器使用说明书。如不想从80K低温测起，可先将控温设定在270K，再加液氮并及时插入中心杆，进行较高温度的控温实验。控温时顺时针转动中心杆至最低位置，再回旋约180°～720°即可通过控温仪设定控温了。等温度控制稳定后，重复测量过程2，测得此温度点的各项霍尔参数。
改变设定温度，测另一个温度点的霍尔参数。
中心杆旋高则冷量增大，适于快速降温和较低温度的实验。控温精度与PID参数有关，请适当调整中心杆高度，以提高不同温区的控温精度。
4．安全注意事项：
（1）经常检查并保证仪器电接地正常。
（2）湿手不能触及过冷表面、液氮漏斗，防止皮肤冻粘在深冷表面上，造成严重冻伤！灌液氮时应带厚棉手套。如果发生冻伤，请立即用大量自来水冲洗，并按烫伤处理伤口。
（3）实验完毕，一定要拧松、提起中心杆，防止热膨胀胀坏恒温器。
六、霍尔效应的实验数据处理
1.霍尔系数和载流子浓度：
霍尔电压的方向与电流方向、磁场方面和载流子类型有关，具体详见教科书。本系统所提供的标准样品在室温下为n型载流子导电，在液氮温度为p型载流子导电。请于实验前用指南针确定电磁铁磁极性与电流方向的关系，供实验判断载流子类型用。
进行霍尔测量时，由于存在热电势、电阻压降等副效应，故要在不同电流方向和磁场方面下进行四次霍尔电压测量，得到四个值：V H1、V H2、V H3、V H4。
最后，霍尔电压：
()43214
1
H H H H H V V V V V +++=
（1） 霍尔系数： IB
t
V R H H =
（2） 式中：V H 是霍尔电压，单位为伏特；t 是样品厚度，单位为米；
I 是通过样品的电流，单位为安培； B 是磁通密度，单位为韦伯/米2
； 霍尔系数的单位是：米3
/ 库仑 对于单一载流子导电的情况：
载流子浓度为： n R H
=-101619
3.()
米 （3）
2．电阻率：
标准样品的电阻率：
ρσ
=
twV IL
()欧姆米. （4） 其中：V σ为电导电压（正反向电流后测得的平均值），单位为伏特；t 是样品厚度，
单位为米；w 是样品宽度，单位为米；L 是样品电位引线N 和C 之间的距离，单位为米；而I 是通过样品的电流，单位为安培。
对范德堡样品：
()
ρππ=
+=
+++t
f R R t
If V V V V mp on mn op M M N N 22
42
1
212
ln ()
ln ..（5）
其中：I 为通过样品的电流（假设在测量过程中使用了同样的样品电流）
f 为形状因子，对对称的样品引线分布，1≈f
3．霍尔迁移率：
霍尔迁移率： ρμ/H R = （6） 对于混合导电的情况，按照上式计算出来的结果无明确的物理意义。它们既不代表电子的迁移率，也不代表空穴的迁移率。
七、参考文献
(1) L.J. van der Pauw, Philips Technical Review Vol.20 (1958) No.8.p220 (2) 傅德中（译）霍尔效应及有关现象。
(3) 庄蔚华（译）III－V族化合物半导体。
SV－12低温恒温器使用说明
一、工作原理
SV-12 恒温器是利用稳态气泡原理（SVB）控温的低温恒温器。其主液池中装有液氮，通过调节锥形气塞间隙，改变气－液界面的成核沸腾条件，使恒温块的漏热稳定在一定值上，再通过控温仪调节加热电流就可以使样品在低温液体温度到室温（80～300K，±0.1K）之间快速变温，并准确地平衡在设定温度上；通过减压－控压，也可以达到更低温度。与其它控温方式相比，SVB恒温器具有温区宽、低温下控温方便、致冷剂消耗少、无机械振动、样品在真空中等优点。
二、实验前的准备工作
首次使用SV-12 低温恒温器前，请检查包装外观有无存贮、运输所造成的明显机械损伤，拆除包装、支撑、固定材料（本恒温器真空室内尾部无样品架的运输支撑材料）。请先装好样品，将夹层真空抽至1Pa，并保持1小时，使低温吸附泵活化，充分放气。再按如下正常使用程序操作。
三、实验操作
1．灌液氮前，认真检查，确保容器内无明显水迹。
2．取出中心杆，注满液氮，等15分钟，待容器冷透后再将液氮补满；插入用液氮预冷透的中心杆。液氮的有效高度11cm，有效容积0.2 升，工作时间约4～6小时。
3．顺时针转动中心杆至最低位置，再回旋约180°～720°，即可通过控温仪设定并自动调整加热器电流来获得80～360K之间的各种中间温度。中心杆旋高则冷量增大，适于较低温度的实验，需要快速降温时，可适当旋松或提起中心杆。控温精度不理想时，请适当调整中心杆高度。出厂试验控温精度达±0.1K。一般情况下，80～360K宽温区范围内，只需调中心杆高低2～3次即可。
如果实验人员不想从80K低温测起，可先将控温设定在270K，再加液氮并及时插入中心杆，进行较高温度控温实验。
4．实验完毕后，一定请将中心杆旋松！！！防止由于热膨胀系数不同，卡住聚四氟乙烯绝热塞，损坏恒温器的事发生。
换装真空室冷指上的样品时，必须先用Pt电阻温度计检查，等样品回复室温后才可以从真空阀放气，取下尾部，更换样品。真空夹层不能长时间暴露在空气中，操作应尽快
进行，然后用机械泵抽真空至1Pa，关闭真空阀，即可重复步骤1～4，进行新实验。
四、引线
真空室内引线由19芯插座引出，面向恒温块（冷指）上的样品时具体定义为：
S1：
S2：
图4 恒温块上的样品电极与引线焊接 I+ I- V+ V-
Pt100铂电阻温度计（工作电流1mA） 13 16 14 15
加热器(允许最大电流0.5A) ：17 18 Φ0.3 mm漆包锰铜线
测试引线： 1～2 ：Φ0.3 mm漆包锰铜线
3～12 ：Φ0.12 mm漆包锰铜线
19 ：备用线
TC202型控温仪使用说明
一、概述
TC202型控温仪是配低温科学实验专用软件、外围控制和输出电路的科学实验用台式智能低温温度控制器。其核心为大规模集成微处理器，可靠性高，测控精度高。其各项测控参数既可以从面板读出和设定，也可以通过RS－232通信接口高速读出和设定。仪表与计算机之间的往来通讯都以ASCⅡ码实现，计算机用户能以高级语言编程控制。
TC202型控温仪内置一个1 mA的恒流电源向电阻温度计供电，通过四引线法传回温度计电压信号，经16位A/D转换，自校准，数字滤波，查内置分度表，修正计算后显示实测温度，经与设定温度比较后，实时PID运算，给出告警和控制信号，通过机内固态继电器位式短周期控制低压交流电压，再整流平滑滤波，控温仪输出多档直流加热电流，以适应不同的负载或低温实验中的热容巨变。
TC202控温仪的测温误差小于0.05%F.S ±1个字；可对温漂、时漂进行自动补偿。测量的分辨力为1/60000；测量速率达20次/秒。
对于同型号的温度计性能离散和使用过程中温度计特性的漂移，可在标定出偏差的基础上通过更改第4组状态参数，对显示值进行定点偏差和线性修正，以减小测量误差。
用户还可以自行从面板输入新的偏差数据表，进行20段折线插值，以计量单位标定给出的数据进行更准确的温度测控，或换用其它温度计（例如，Pt100铂电阻温度计和铑铁电阻温度计可共用一台控温仪）。一机多用！
电源：190-240伏特，50 赫兹，单相交流，65瓦特
加热功率输出：过零开断的位式调节；0-- 24 伏特，最大 2 安培滤波直流输出。输出加热电流的交流纹波干扰小，有利于减少实验系统的噪声。最大输出功率分为四档，可由面板开关循环切
换，以适应负载和实验条件的变化。
尺寸：320 * 217 * 102（长*宽*高、毫米）；
质量： 3.8 公斤
配用温度计：Pt100 铂电阻或其它电阻型温度计
测控温温区：K--- 450 K
温标选择：可从面板设定显示温标为摄氏度或开氏度。
测温方法：四引线电阻法
二、接线
本机后面板有220V电源线，0.5A保险管，四针温度计插座，五针输出和报警插座，九针RS232接口。
温度计插座接线定义如下：
1— 1 mA输出电流正极；2—温度计电压正极；
3—温度计电压负极；4— 1 mA输出电流负极；
五针输出和报警插座接线定义如下：
1，2—0～24V直流，最大2A加热电流输出（最大输出功率选择开关在前面板）；
3，5—超过设定温度上限时，断开加热/报警继电器触点（正常时，4接通3；超限时4与3断开，无加热输出）；
九针RS－232接口定义如下：
2—R×（接收）；3—T×（发送）；5—G （地）；
三、前面板及其操作
前面板有电源开关和最大0、1%、15% 和100% 输出功率切换键可以在0，1%，15%，100%功率输出之间切换。输出为0时，功率指示灯灭。输出为1%，15%，100%时，对应功率指示灯亮。算法给出输出时输出指示灯亮；只有报警灯不亮，而输出功率切换键上方的指示灯和输出指示灯都亮时才有加热电压输出。
第一显示窗大字显示为当前实测温度；右方下角的小字显示为控温设定温度；超上限和超下限温度时报警灯亮；用户可以从面板或软件方面改换使用温标，面板上相应的温标灯发光。
下排五键从左至右依次功能为：
设定键：在测量状态下，按住2秒即进入设置状态，显示参数类型符号，此时可以更改设置参数；再按住2秒，就进入下一组参数设置状态。
左键：在测量状态下，使设定温度闪动，以调整设定温度值；在参数设置状态下，可调出待修正的数值，向左移动待修改值位。
MOD调整键：在测量状态下，选择显示实测温度或交替显示OUT和加热电压百分数。在设置状态下，存入修改后的参数值，并顺序调出下一个参数。
增、减键：在测量状态或设置状态下增、减参数数值。
仪表的参数按功能的不同分为6组。仪表的参数分为两类，第一类为告警设定值，全部在第1组参数内。第二类为组态参数，分别在第2到第6组内。第二类组态参数全部受密码控制，密码不符时既不能调出，也不能设置。第一类告警设定值由第5组组态参数中的oA1参数选择是否受密码控制，当oA1选择为ON时，受密码控制，只能调出，但设置无效，当oA1选择为OFF时，不受密码控制。
设置组态参数时，应已明确该参数的功能，避免因设置不适当而造成仪表工作不正常。
密码的作用是防止闲散人员的误操作。本机密码为：01111
注：仪表通电或1分钟以上无按键操作时，密码将自动被恢复为00000，控温仪参数锁定。
第1组参数的设置：
1、按住设定键2秒以上时间不松开，控温仪进入设置状态，仪表显示第1组（目标温度和报警）
参数中的第1个参数目标温度A V。
2、按左移键即可调出当前参数的原设定值，闪烁位为当前可修正位。通过按左键移动修改位，
按增、减键，将参数修改为需要的值。
3、按调整键存入修改好的参数，并转到本组下一个参数。
4、若为本组最后一个参数，则按调整键后将退出设置状态。
第2组参数的设定：
5、如要改变第2-6组参数，则在以上第1步显示A V时，继续按住设定键，直至显示OA。
6、按左键进入修改状态，此时密码显示为00000，在左键、增、减键的配合下，将密码改为
01111。
7、按调整键存入修改好的密码，显示c-b，即进入折线功能选择。
8、如不改变当前参数，继续按调整键即进入下一个参数选择。
第3-6组参数的设定：
9、完成第7步后，按住设定键即可调出和进入第3组参数的设定。
10、完成第3组参数设定，按住设定键即可调出和进入第4组参数的设定。
11、重复第10步，可调出和进入第5、6组参数的设定。
快捷键
?第1组参数中为温度控制目标设定值，在测量状态下且PID自动控制时，在第二显示窗中显示该值。此时按左键，最低位开始闪烁，继续按左键可移动闪烁位，按上下键修改闪烁位数
值，按左键直到无闪烁位时，此时显示值被存为新的温度控制目标设定值。当使用此快
捷键设定值时，不能同时通过按键进入参数设置状态，不能按键切换显示输出百
分比。
?在测量状态下，按键，第二显示窗在设定值和输出百分比之间切换。当参数设为时，可以进行手动控制输出。当显示输出百分比时，按上下键可以直接修改该值。
四、参数说明
第1组参数：控制目标温度值及告警值设定
符号名称内容取值范围地址
Av 温度设定目标值-19999~45000 00H
AH 报警点设定值-19999~45000 01H
AL01 报警方式05H
HY A1 报警点灵敏度0~19999 0AH
cYt 报警延时0~20 0FH
注：Av —温度控制目标值；AH —高温告警温度点设定值（实测温度高于此温度时，控温仪会关断对外的加热输出）。
第2-4组参数：折线修正功能、显示选择和线性修正：
19段（20点）折线修正：
如果用户需要精确测温，请将温度计（最好连同控温仪和测量引线一同）送到国家法定温度计量检定单位进行标定。再将标定表用于对实验室仪表系统的校正。其具体的做法如下：先找一个用于模拟的标准信号源或器具，例如模拟Pt100铂电阻的高精度可调电阻箱，将实际四引线测温线路接好，只是用电阻箱代替已标定好的Pt100铂电阻，调整电阻箱电阻到20.00欧姆，假如此时控温仪显示的该折线点的测量值（c1）是77.0K，但查标定表此折线点的标准值（b1）应为77.15K；依次从小到大，选取关键折线点20个，得到其一一对应的测量值和标准值。20个折线点按c1、b1—c7、b7，c8、b8—c15、b15，c16、b16—c20、b20，三批依次分组存入控温仪中。每批存完后按一下设定键，使系统进入下一组参数检查与调整状态。
符号名称内容地址取值范围
oA 密码10H0~9999
c-b 折线功能选择11H 注3
c1 第1折线点测量值12H-19999~45000
b1 第1折线点标准值13H-19999~45000
c2 第2折线点测量值14H-19999~45000
b2 第2折线点标准值15H -19999~45000
c3 第3折线点测量值16H-19999~45000
b3 第3折线点标准值17H-19999~45000
c4 第4折线点测量值18H-19999~45000
b4 第4折线点标准值19H-19999~45000
c5 第5折线点测量值1AH-19999~45000
b5 第5折线点标准值1BH-19999~45000 c6 第6折线点测量值1CH-19999~45000 b6 第6折线点标准值1DH-19999~45000 c7 第7折线点测量值1EH-19999~45000 b7 第7折线点标准值1FH-19999~45000 c8 第8折线点测量值20H-19999~45000 b8 第8折线点标准值21H -19999~45000 c9 第9折线点测量值22H -19999~45000 b9 第9折线点标准值23H-19999~45000 c10 第10折线点测量值24H-19999~45000 b10 第10折线点标准值25H-19999~45000 c11 第11折线点测量值26H-19999~45000 b11 第11折线点标准值27H-19999~45000 c12 第12折线点测量值28H-19999~45000 b12 第12折线点标准值29H-19999~45000 c13 第13折线点测量值2AH-19999~45000 b13 第13折线点标准值2BH-19999~45000 c14 第14折线点测量值2CH-19999~45000 b14 第14折线点标准值2DH-19999~45000 c15 第15折线点测量值2EH -19999~45000 b15 第15折线点标准值2FH-19999~45000 c16 第16点折线测量值30H -19999~45000 b16 第16点折线标准值31H -19999~45000 c17 第17点折线测量值32H -19999~45000 b17 第17点折线标准值33H -19999~45000 c18 第18点折线测量值34H -19999~45000 b18 第18点折线标准值35H -19999~45000 c19 第19点折线测量值36H -19999~45000 b19 第19点折线标准值37H -19999~45000 c20 第20点折线测量值38H -19999~45000 b20 第20点折线标准值39H -19999~45000 incH 输入信号选择3AH 固定为Pt100 in-d 显示小数点位置选择3BH 固定为000.00 u-r 量程下限（欧姆）3CH 固定为000.00 F-r 量程上限（欧姆）3DH 固定为180.00 in-A 零点修正3EH -19999~45000 Fi 满度修正值3FH 0.5000~1.5000
五、仪器的误差修正和测温温标
通过测量过程得到的温度值，可能会由于温度计或仪表的各种原因而存在误差。除了以上介绍的19段折线修正功能外，对于接近线性的Pt100等温度计，还可以通过平移（零点）和线性（乘以一个线性修正系数）来有效地减小误差，提高系统的测量控制精度。
修正公式： T= Fi * t + (in-A)
参数 : 零点修正 : ( in-A) = Tl* (Th-TH)/(Th-Tl)
线性满度修正系数 : Fi = (TH-TL)/(Th-Tl)
修正后的显示值 : T
修正前的测量值: t
步骤①修正前首先将 in-A 设置为0， Fi 设置为1.0000，使仪表处于未修正状态；
②进行零点修正：选择一非常重要的已知低温固定点TL，将温度计放入该固定点内，等温度平衡以
后，读取控温仪显示的测量值Tl；
③进行满度修正：选择一非常重要的已知高温固定点TH，将温度计放入该固定点内，等温度平衡以
后，读取控温仪显示的测量值Th ；
④计算零点修正 ( in-A) = Tl*(Th-TH)/(Th-Tl)
和线性满度修正系数 Fi = (TH-TL)/(Th-Tl)
⑤将上面两参数输入第4组组态参数中。
例1 Pt100输入。由于传感器和系统的误差，插入液氮中的Pt100在控温仪上显示值为80.00K（实为77.3K）,而插入水的三相点瓶显示为272.0K（实为273.16K）则设置为in-A = 80（272-273.16）/（272-80）= -0.48,
Fi= （273.16-77.3）/（272-80）= 1.020。仪表的显示值被修正到液氮点77.3K和水的三相点273.16K。
77.3K到273.16K之间的所有测量结果都会被做相应的修正后显示。
符号名称内容取值范围地址
Add 仪表通信地址0~99 40H
BAud 通信速率选择注2 41H
ctd 报警输出控制权选择注3 44H
oA1 报警设定密码选择0对应oFF,1对应on 46H
Li 冷端补偿修正值0.0000~2.0000（取1）47H
FLtr 数字滤波时间常数1~20 48H
bout 故障代用值-19999~45000 49H
HL 设定值显示选择选择温标4AH
oP 输出信号选择0~2 4DH
bA-L 变送输出下限固定为000.00 4EH
bA-H 变送输出上限固定为180.00 4FH
注2：0000为2400pbs 0001为4800 pbs 0002为9600 pbs
注3：0000为OFF，由仪表控制0001为ON，由通讯控制
数字滤波
说明温度计受其本身固有频率影响和外界振动的传导，以及不可预料的干扰等原因，可能导致仪表的显示值不稳定。可视其波动的大小选择适当的滤波常数，使显示稳定。波动小时设置较小的滤波常数。
波动大时设置较大的滤波常数。
参数FLtr —滤波时间常数
第5组参数：通讯及其它
Add —仪表通讯地址设定Baud —仪表通讯速率选择
改变选择后，需断电后重新上电，仪表按新选择的速率工作。
Ctd —告警输出控制权选择
oA1 —第1组参数是否受密码控制选择：OFF时，第1组参数不受密码控制; ON时，第1组参数受密码控制
温标选择：通过第5组参数中参数设定显示温标。选择为摄氏度，选择时为开尔文。此时面板上对应的温标指示灯点亮。
传感器故障处理
说明利用仪表的传感器故障处理功能，可以更有效地保证设备的安全运行以及防止因传感器故障而引起的非正常设备运行，例如连锁、停机等。仪表显示Boot值表示传感器出了故障。
传感器故障是指出现下述几种情况：
①热电阻或热电偶断路；
②电压信号大于规定量程50%以上；
参数Boot —传感器故障时的代用测量值。当仪表判断传感器出故障时，以设置的Boot 值作为告警、变送输出、控制等的输入值。
六、PID控制
第六组参数：PID控制参数及输出组态
符号名称内容取值范围地址
P 比例带0.1~5.0 50H
i 积分时间0000~1000 51H
d 微分时间0000~1000 52H
CP 控制周期0.2~6秒53H
Sen 手、自动输出方式选择时可手动输出54H
d-r 正反作用选择为反，为正55H
oUtL 控制输出下限0.0~100.0 56H
oUtH 控制输出上限0.0~100.0 57H
选择pos表示正作用：温度高于设定值时才有电功率输出；
选择neg表示反作用：温度偏低时才输出加热功率。
OutL —输出限幅下限设定（对漏热很大的系统提供维持加热功率）
Outh —输出限幅上限设定（限制最大输出）
Sen —手动/自动控制输出选择。当该参数设置为时，不能手动输出；当该参数设置
为时，允许手动控制输出。
在科学实验中，通常需要把某些物理量（如温度、压力、流量、液位等）维持在指定的数值上。当这些物理量偏离所希望的给定值时，即产生偏差。PID控制仪根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。
比例运算是指输出控制量与偏差的比例关系。仪表比例参数 P 设定值越大，控制的灵敏度越低，设定值越小，控制的灵敏度越高，例如仪表的比例参数 P设定为4%，表示测量值偏离给定值4%时，输出控制量变化100%。
积分运算的目的是消除静差。只要偏差存在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动。积分时间是表示积分作用强度的单位。仪表设定的积分时间越短，积分作用越强。例如仪表的积分时间设定为240秒时，表示对固定的偏差，积分作用的输出量达到和比例作用相同的输出量需要240秒。比例作用和积分作用是对控制结果的修正动作，响应较慢。
微分作用是为了消除其缺点而补充的。微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，对变化越快的变化给予越大的修正，使控制过程尽快回到原来的控制状态，微分时间是表示微分作用强度的单位，仪表设定的微分时间越长，则以微分作用进行的修正越强。
位式PID控制
一般的PID控制是以连续的电流或电压输出到操作器对系统进行控制。位式PID控制则是按一定的周期，通过控制接点的通断对系统进行控制。在一个周期内，接点的接通和断开的时间长短反映控制量的大小，操作量为100%时，接点在整个周期内完全接通，操作量为0%时，接点在整个周期内完全断开。本机采用位式PID控制。
P、I、D、参数的经验设定值
常见系统的PID参数经验选择范围。（其中的P以百分比的形式给出）
P ：1～3% I ：0秒～200秒 D ：0秒～50秒
温度控制有较大滞后时，常用微分。
PID参数的再调整
1）在一些情况下，控温回路有一点不稳定并且低度振荡，可试着做以下几件事。首先，比较积分时间与测量值的振荡周期。积分时间常数至少应与振荡周期时间相同。如果积分时间常数比振
荡周期时间短，则必须增大到振荡周期时间。如果积分时间常数合适后回路仍然振荡，比例带必
须增加以消除振荡。
在某些具有传送滞后的回路中，如果有微分的作用，则会变得不稳定，例如，一个通过流动空气使冷量传送到负载的系统中。如果用上述方法调整积分时间和比例带不能稳定系统，可试
着降低或取消微分作用。
2）根据用途，PID参数不满意时，可参考下述例子，对PID参数进行调整。
对达到稳定值的时间长一些无问题，但不能产生超调时，要增大比例带P。
如超调不成问题，但希望尽快达到稳定的控制状态时，应使比例带P缩小，但使比例带过分缩小，则容易产生振荡。
七、通讯接口
仪表能连接到所有的计算机并与之通讯，采用RS232或RS485传输标准。仪表与计算机之间的往来通讯都以ASCⅡ码实现，意味着计算机能以任何高级语言编程。
仪表的命令集由数条指令组成，完成计算机从仪表读取测量值、告警状态、控制值、参数值，向仪表输出模拟量、数字量，以及对仪表的参数设置。与通过仪表面板设置参数一样，通过计算机对仪表的参数设置，这些参数都能被存入仪表EEPROM存贮器，在掉电情况下也能保存这些参数。
为避免通讯冲突，所有的操作均受计算机控制。当仪表不进行发送时，都处于侦听方式。计算机按规定地址向某一仪表发出一个命令，然后等待一段时间，等候仪表回答。如果没收到回答，则超时中止，将控制转回计算机。
仪表的告警输出可以与仪表脱机，将控制权转给计算机，通过通讯接口进行控制。
Ctd 数字量输出计算机控制选择
该参数为off 时，告警输出由仪表控制。
该参数为on时，告警输出由计算机控制，与仪表的测量值无关。
PID控制命令及参数地址表
命令读测量值及告警状态：# AA
读仪表版本号及类型：# AA 99
读输出模拟量值（变送输出）：# AA 0001
读开关量输入状态：# AA 0002
读开关量输出状态（报警输出）：# AA 0003
读仪表参数的表达符号：`AA BB
读仪表参数数值：$AA BB
设置仪表参数：% AA BB（data）
输出模拟量：& AA（data）
输出开关量：& AABBDD
CVM-200型霍尔效应仪
使用说明书
一、概述
CVM-200型霍尔效应仪是由三个部分组合而成的仪器。
◆第一部分霍尔效应测量仪，它能容纳两块样品，既可测量标准样品，也能测量范德堡样品。
◆第二部分样品电流源，这是一个精度高、电流变化范围宽、输出阻抗高的高精度直流恒流源。
它有六个量程，分别为2μA、20μA、200μA、2mA、20mA、200mA，输出电流从0.1nA到200mA，
精度达0.05%。
◆第三部分直流数字微伏表，电压测量从1μV到2000mV，分为20mV、200mV、2000mV三档量程，
精度达0.05%。
二、技术数据
使用条件：
◆环境温度：5～40℃
◆环境相对湿度：80%以下
◆供电电源：220±22V，50±1.5Hz
◆无剧烈震动和机械冲击
◆不应受强的电磁场干扰
◆空气中不应含有足以腐蚀产品的灰尘和杂质
◆通风条件良好
主要技术指标：
A. 恒流源的主要技术指标:
◆电流的变化范围及精度：
表1
◆最高输出电压：10V
◆输出阻抗：108Ω
◆输出电流的温度系数：小于50PPm/℃
B. 微伏表的主要技术指标：
◆量程及测量范围：
表2
量程分辨率精度（18～28℃）可测电压范围短路输入显示值±字
20mV 1μV ±(0.05%读数+3) 1μV～19.999mV ±2字
200mV 10μV ±(0.05%读数+1) 10μV～199.99mV ±1字
2000mV 100μV ±(0.05%读数+1) 100μV～1999.9mV ±1字
*经过面板调零后。
◆输入阻抗：20mV 大于 50MΩ
◆200mV 大于 100MΩ
◆2000mV 大于 500MΩ
◆最大允许输入电压和输入保护：本仪表最大输入电压2000mV，过载保护电压为20V，更高电
压可能会引起仪表损坏。
◆温度系数：小于30PPm/℃
C．霍尔效应测量仪的主要功能：
●能够容纳两块样品：样品Ⅰ和样品Ⅱ。设有样品选择键：开机时选择样品Ⅰ，同时样品Ⅰ
灯S1亮；按一次时选择样品Ⅱ，同时样品Ⅱ灯S2亮，再按一次又回到样品Ⅰ灯S1亮。
●可以测量：范德堡样品或标准样品(如下图6、7)
图6 图7
表3
电压选择电流流向电压
V H I+=M I-=0 M→0 A=N B=P Vmo,pn
VбI+=M I-=0 M→0 A=P B=C Vmo,nc
V M I+=M I-=N M→N A=O B=N Vmp,on
V N I+=M I-=P M→P A=O B=P Vmn,op
当分别按下VH、Vб、VM、VN按键时，加电流的方向及端子如表3所示，待测电压
如表3所示端子。其中，A为微伏表正端VHi，B为微伏表负端VLo。
三、工作原理与特点
A．恒流源工作原理与特点：
恒流源输出从0.1nA～200mA直流电流，分为6档量程，为便于调节又分为两组，各组均设有粗细
调旋钮。恒流源的稳定性取决于参考电压、高增益运算放大器、放大输出电流驱动电路以及合
理闭环控制，能满足系统要求。其原理框图如图8所示.
图 8
图 9
B. 微伏表的工作原理与特点:
微伏直流数字电压表的核心部分是一个双斜式41/2位A/D转换器，高灵敏度低漂移输入放大器则用以提高仪表的测量灵敏度。其原理如图9所示。
41/2位双斜式A/D转换器采用单片CMOS大规模集成电路，它具有自动极性转换与自动调零等功能，不仅体积小、功耗低且稳定可靠。高灵敏度、低漂移输入放大器采用单片CMOS斩波稳零式
集成运算放大器等组合而成，不仅灵敏度高、功耗低而且能长期稳定可靠地工作，其零位漂移小
于0.1μV/℃。
该基准是一种新颖的精密稳压管，它具有功耗低、温度特性佳、长期漂移小等特点，从而赋予整机良好的长期稳定性。
C. 霍尔效应测量仪工作原理与特点：
霍尔效应测量仪由琴键开关、继电器陈列、一组指示灯组成。继电器采用低电压驱动，接触电
势低、导通电阻低的高灵敏度继电器能满足霍尔测量的要求。
最新霍尔效应实验报告96288资料
南昌大学物理实验报告 课程名称： _____________ 普通物理实验（2） ________________ 实验名称： ___________________ 霍尔效应_____________________ 学院： ___________ 专业班级： ____________ 学生姓名： _______ 学号： _________________ 实验地点： __________ 座位号：_________ 实验时间： ______________________ 一、实验目的： 1、了解霍尔效应法测磁感应强度 X的原理和方法； 2、学会用霍尔元件测量通电螺线管轴向磁场分布的基本方法;
实验仪器: 霍尔元件测螺线管轴向磁场装置、多量程电流表2只、电势差计、滑动变阻 器、双路直流稳压电源、双刀双掷开关、连接导线15根。 三、实验原理: 1、霍尔效应 霍尔效应本质上是运动的带电粒子在磁场中受洛仑磁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，从而形成附加的横加电场，即霍尔电场I E H . 如果血＜0,贝U说明载流子为电子，则为n型试样；如果血＞0，贝U说明载流子为空穴，即为p型试样。 显然霍尔电场旦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e E H与洛仑磁力levB相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有：
e E H =-|evB, 其中E H为霍尔电场，W是载流子在电流方向上的平均速度。若试样的宽 度为b，厚度为d，载流子浓度为n,贝U I = nevbd 由上面两式可得: 即霍尔电压V H (上下两端之间的电压)与|I s B乘积成正比与试样厚度d成反比。 |R H二-称为霍尔系数，它是反应材料霍尔效应强弱的重要参量。只要 比列系数 测出V H以及知道LS、B和d可按下式计算L R±： R H诒1°4 2、霍尔系数R H与其他参量间的关系 根据 R H可进一步确定以下参量: (1) 由应的符号(或霍尔电压的正负)判断样品的导电类型。判别方法是电 间有如下关系 3、霍尔效应与材料性能的关系 由上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是选择霍尔系数大(即迁移率高、电阻率也较高）的材料。因||R H|」P|,金属导体門和巴都很低；而不良导体已虽高，但巴极小，所以这两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件。半导体巴高，日适中，是制造霍尔元件较为理想的材料，由于电子的迁移率比空穴迁移率大，所以霍尔元件多采用n型材料，其次霍尔电压的大 1 I s B c I s B V H = Ewb = --------- =R H ne d d (3) 压为负, R H为负，样品属于n型；反之则为p型。 (2)由应求载流子浓度n.即n = |只］这个关系式是假定所有载流子都具有 相同的漂移速度得到的。 (3)结合电导率的测量, 求载流子的迁移率已与载流子浓度n以及迁移率巴之 a=ne^ 即門=R H。,测出冋值即可求門。
霍尔效应实验
霍尔效应实验 【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】 QS-H霍尔效应组合仪（电磁铁、霍尔样品、样品架、换向开关和接线柱），小磁针，测试仪。 【实验原理】 1.通过霍尔效应测量磁场 霍尔效应装置如图1和图2所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向)，当沿y方向的电极、上施加电流I时，薄片内定向移动的载流子(设平均速率为u)受到洛伦兹力F B的作用。 (1)
图1 实验装置图（霍尔元件部分） 图2 电磁铁气隙中的磁场 无论载流子是负电荷还是正电荷，F B的方向均沿着x方向，在洛伦兹力的作用下，载流子发生偏移，产生电荷积累，从而在薄片、两侧产生一个电位差,,形成一个电场E。电场使载流子又受到一个与方向相反的电场力， (2)
其中b为薄片宽度，F E随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时＝，即 (3) 这时在、两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压称为霍尔电压，电极、称为霍尔电极。 另一方面，设载流子浓度为n,薄片厚度为d,则电流强度I与u 的关系为： (4) 由(3)和(4)可得到 (5) 令则 (6) 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： (7) 式中称为霍尔元件灵敏度，I称为控制电流。 由式(7)可见，若I、已知，只要测出霍尔电压，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。
范德堡测试方法与变温霍尔效应
范德堡测试方法与变温霍尔效应 摘要：本实验采用范德堡测试方法，测量样品霍耳系数及电导率随温度的变化，可以确定一些主要特性参数——禁带宽度，杂质电离能，电导率，载流子浓度，材料的纯度及迁移率，从而进一步探讨导电类型，导电机理及散射机制。 关键词：霍尔效应、范德堡测试法、霍尔系数、电导率 引言：对通电导体或半导体施加一与电流方向相垂直的磁场，则在垂直于电流和磁场方向上有一横向电位差出现，此即为霍耳效应。利用霍尔效应测量霍耳系数及电导率是分析半导体纯度以及杂质种类的一种有力手段，也可用于研究半导体材料电输运特征，是半导体材料研制工作中必不可少的一种常备测试方法。 一、原理部分： （一）、半导体内的载流子 根据半导体导电理论，半导体内载流子的产生有两种不同的机制：本征激发和杂质电离。 1、本征激发 在一定的温度下，由于原子的热运动，价键中的电子获得足够的能量，摆脱共价键的束缚，成为可以自由运动的电子。这时在原来的共价键上就留下了一个电子空位，邻键上的电子随时可以跳过来填充这个空位，从而使空位转移到邻键上去，因此空位也是可以移动的。 这种可以自由移动的空位被称为空穴。半导体不 仅靠自由电子导电，而且也靠这种空穴导电。半 导体有两种载流子，即电子和空穴。 从能带来看，构成共价键的电子也就是填充 价带的电子，电子摆脱共价键而形成一对电子和 空穴的过程，就是一个电子从价带到导带的量子 跃迁过程，如图1 所示。 纯净的半导体中费米能级位置和载流子浓 度只是由材料本身的本征性质决定的，这种半导 体称本征半导体。本征半导体中，在电子—空穴 对的产生过程中，每产生一个电子，同时也产生 一个空穴，所以，电子和空穴浓度保持相等， n表示，称为本征载流图1 本征激发示意图 这个共同的浓度用 i 子浓度。这种由半导体本身提供，不受外来掺杂影响的载流子产生过程通常叫做本征激发。 2.、杂质电离 绝大部分的重要半导体材料都含有一定量的浅杂质，它们在常温下的导电性能，主要由浅杂质决定。浅杂质分为两种类型，一种是能够接收价带中激发的电子变为负离子，称为受主杂质。由受主杂质电离提供空穴导电的半导体叫做P 型半导体如图2（a）所示。还有一种可以向半导体提供一个自由电子而本身成为正离子，称为施主杂质。这种由施主杂质电离提供电子导电的半导体叫做n 型半导体，如图2（b）所示。
霍尔效应实验报告
霍耳效应实验报告 学号：200702050940 实验人：张学林 同组人： 杨天海 实验目的： 1、 观察霍耳效应； 2、 了解应用霍耳效应进行简单的相关测量的方法 实验内容： 1、确定样品导电类型； 2、测算霍耳系数、载流子浓度、霍耳灵敏度； 3、测算长螺线管轴线上的磁场分布。 实验原理： 一、关于霍耳效应 如图一所示。当电流通过一块导体或半导体制 成的薄片时，载流子会发生漂移。 而将这种通有电流的薄片置于磁场中，并使薄 片平面垂直于磁场方向。根据图一中的电流方向，并结合右手定则，我们可以看到：（1）无论导体中的载流子带正电荷还是负电荷，其受力均为F m 方向；（2）载流子均会沿X 轴方向运动，并最终靠在A 端。于是：（1）当载流子为正电荷时薄板A 端带正电荷，导致板A 端电势高于B 端；（2）当载流子为负电荷时薄板A 端带负电荷，导致板B 端电势高于A 端。 这就是霍耳效应。 二、关于霍耳效应性质的研究 如图一，关于霍耳效应的相关参量已如图所 示。 其中载流子所受的磁场力 m F qvB = （1） 载流子所受的电场力 e F qE = （2） 当其所受磁场力与电场力受力平衡时： （a B （b z y x (图一)
有关系， e m F F = （3） 且有， H H U E a vBa == （4） 我们又知道，(I v n nqab = 为载流子浓度) （5） 于是，由（1）～（3）可知 H IB E nqab = （6） 再结合（4）式可得 1 ()H IB U IB nqb nqb = = （7） 令 1 H R nq = （8） 为霍耳系数，并代入（7）式可得 H H B U R I b = （9） 那么，霍耳系数又可表示为 H H U b R IB = （10） 即， 1 H H U b R IB nq = = （11） 三、关于霍耳效应的应用 1、利用霍耳效应确定导体的类型 由（11）式可得，导体横向电势差与导体中载流子类型有关：当H U 为正时载流子为电子，导体为P 型半导体；反之，载流子为空穴，导体为N 型半导体。 2、利用霍耳效应计算霍耳系数 根据（9）式，可以固定B 、b ，改变I 得到U H ，多测几组U —I 值。然后根据几组U —I 值在直角坐标系中描 点，可根据拟合出来的直线的斜率求出霍耳系数。 3、 霍耳灵敏度的计算 若将（7）式中的括号以内的项定义为霍耳灵敏度，即令1 n H K R b nqb ==。于是，（二、2）中的霍耳系数计算出来，霍耳灵敏度也就计算出来了。 4、利用霍耳效应计算载流子浓度 由（7）、（11）式可得1H n R q = 。
霍尔效应实验报告98010
霍尔效应与应用设计 摘要：随着半导体物理学的迅速发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。本文主要通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。 关键词：霍尔系数，电导率，载流子浓度。 一．引言 【实验背景】 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，称为霍尔效应。 如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且随着电子技术的发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽（高达10GHz ）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。 【实验目的】 1． 通过实验掌握霍尔效应基本原理，了解霍尔元件的基本结构； 2． 学会测量半导体材料的霍尔系数、电导率、迁移率等参数的实验方法和技术； 3． 学会用“对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 4． 学习利用霍尔效应测量磁感应强度B 及磁场分布。 二、实验内容与数据处理 【实验原理】 一、霍尔效应原理 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的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。如图1所示。当载流子所受的横电场力与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有 B e eE H v = 其中E H 称为霍尔电场，v 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽度为b ， ? a
厚度为d ，载流子浓度为n ，则 bd ne t lbde n t q I S v =??=??= d B I R d B I ne b E V S H S H H =?= ?=1 比例系数R H =1/ne 称为霍尔系数。 1． 由R H 的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。 2． 由R H 求载流子浓度n ，即 e R n H ?= 1 （4） 3． 结合电导率的测量，求载流子的迁移率μ。 电导率σ与载流子浓度n 以及迁移率μ之间有如下关系 μσne = （5） 即σμ?=H R ，测出σ值即可求μ。 电导率σ可以通过在零磁场下，测量B 、C 电极间的电位差为V BC ，由下式求得σ。 S L V I BC BC s ?= σ（6） 二、实验中的副效应及其消除方法： 在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的霍尔电极A 、A′之间的电压为V H 与各副效应电压的叠加值，因此必须设法消除。 （1）不等势电压降V 0 如图2所示，由于测量霍尔电压的A 、A′两电极不可能绝对对称地焊在霍尔片的两侧，位置不在一个理想的等势面上，Vo 可以通过改变Is 的方向予以消除。 （2）爱廷豪森效应—热电效应引起的附加电压V E 构成电流的载流子速度不同，又因速度大的载流子的能量大,所以速度大的粒子聚集的一侧温度高于另一侧。电极和半导体之间形成温差电偶,这一温差产生温差电动势V E ，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延好森效应来不及建立，可以减小测量误差。 （3）能斯托效应—热磁效应直接引起的附加电压V N
霍尔效应实验方法
实验: 霍尔效应与应用设计 [教学目标] 1. 通过实验掌握霍尔效应基本原理，了解霍尔元件的基本结构； 2. 学会测量半导体材料的霍尔系数的实验方法和技术； 3. 学会用“对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 [实验仪器] 1.TH －H 型霍尔效应实验仪，主要由规格为>2500GS/A 电磁铁、N 型半导体硅单晶切薄片式样、样品架、I S 和I M 换向开关、V H 和V σ（即V AC ）测量选择开关组成。 2.TH －H 型霍尔效应测试仪，主要由样品工作电流源、励磁电流源和直流数字毫伏表组成。 [教学重点] 1． 霍尔效应基本原理； 2． 测量半导体材料的霍尔系数的实验方法； 3． “对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 [教学难点] 1． 霍尔效应基本原理及霍尔电压结论的电磁学解释与推导； 2． 各种副效应来源、性质及消除或减小的实验方法； 3． 用最小二乘法处理相关数据得出结论。 [教学过程] （一）讲授内容： (1)霍尔效应的发现： 1879，霍尔在研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现： “电流通过金属，在磁场作用下产生横向电动势” 。这种效应被称为霍尔效应。 结论：d B I ne V S H ?=1 (2)霍尔效应的解释： 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。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的聚积，从而形成附加的横向电场。当载
流子所受的横电场力H e eE f =与洛仑兹力evB f m =相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡， B e eE H v = （1） bd ne I S v = （2） 由 （1）、（2）两式可得： d B I R d B I ne b E V S H S H H =?= ?=1 （3） 比例系数ne R H 1=称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数， (3) 霍尔效应在理论研究方面的进展 1、量子霍尔效应(Quantum Hall Effect) 1980年，德国物理学家冯?克利青观察到在超强磁场（18T ）和极低 温(1.5K ）条件下,霍尔电压 UH 与B 之间的关系不再是线性的，出现一 系列量子化平台。 量子霍尔电阻 获1985年诺贝尔物理学奖！ 2、分数量子霍尔效应 1、1982年，美国AT&T 贝尔实验室的崔琦和 斯特默发现：“极纯的半导体材料在超低温(0.5K) 和超强磁场(25T)下，一种以分数形态出现的量子电 阻平台”。 2、1983 年，同实验室的劳克林提出准粒子理 论模型，解释这一现象。 获1998年诺贝尔物理学奖 i e h I U R H H H 1 2?==3,2,1=i
霍尔效应原理与实验
霍尔效应 一、简介 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall ，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。 二、理论知识准备 1． 1． 霍尔效应 将一块半导体或导体材料，沿Z 方向加以磁场B ，沿X 方向通以工作电流I ，则在Y 方向产生出电动势H V ，如图1所示，这现象称为霍尔效应。H V 称为霍尔电压。 X (a) (b) 图1 霍尔效应原理图 实验表明，在磁场不太强时，电位差H V 与电流强度I 和磁感应强度B 成正比，与板的厚度d 成反比，即 d IB R V H H =(1) 或 IB K V H H =(2) 式（1）中H R 称为霍尔系数，式（2）中H K 称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mA ·T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N 型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P 型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。 如图1（a ）所示，一快长为l 、宽为b 、厚为d 的N 型单晶薄片，置于沿Z 轴方向的磁场B 中，在X 轴方向通以电流I ，则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为 j eVB B V e B V q F m -=?-=?=(3) 式中V 为电子的漂移运动速度，其方向沿X 轴的负方向。e 为电子的电荷量。m F 指向Y 轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A 侧面积聚，同时在B 侧面上出现同数量的正 电荷，在两侧面间形成一个沿Y 轴负方向上的横向电场H E （即霍尔电场），使运动电子受 到一个沿Y 轴正方向的电场力e F ，A 、B 面之间的电位差为H V （即霍尔电压），则 j b V e j eE E e E q F H H H H e ==-==(4)
变温霍尔效应
学号：PB07203143 姓名：王一飞院（系）：物理系 变温霍尔效应 【实验目的】 1、通过该实验，学习利用变温霍尔效应测量半导体薄膜的多种电学性质的方法。 2、掌握霍尔系数、霍尔迁移率和电导率的测量方法，了解它们随温度的变化规律。 3、测定样品的导电类型和载流子浓度，并计算出禁带宽度和杂质电离能等。 【实验原理】 1、半导体的能带结构和载流子浓度 本征半导体中本征载流子（电子和空穴）总是成对出现的，它们的浓度相同，本征载流 子浓度仅取决于材料的性质（如材料种类和禁带宽度）及外界的温度。 若所掺杂质的价态大于基质的价态，即施主杂质，称为 n 型半导体；若所掺杂质的价态小 于基质的价态，即受主杂质，称为 p 型半导体。 当导带中的电子和价带中的空穴相遇后，电子重新填充原子中的空位，导致相应的电子 和空穴消失，这过程叫做电子和空穴的复合。在这一过程中，电子从高能态的导带回到低能态的价带，多余的能量以热辐射的形式（无辐射复合）或光辐射的形式（辐射复合）放出。 当温度在几十K左右时，只有很少受主电离，空穴浓度P远小于受主浓度，曲线基本上为 直线，由斜率可得到受主电离能Ei。 当温度升高到杂质全电离饱和区，载流子浓度与温度无关 当在本征激发的高温区，由曲线的斜率可求出禁带宽度Eg 2、电导率和迁移率 半导体中同时有两种载流子导电时，在过渡区及本征激发区电导率可写为： [p型半导体] 设p s 为杂质全部电离产生的空穴饱和浓度，p = p s + n 则 3、霍尔效应及其测量 如右图，霍尔系数 在考虑霍尔效用时，由于载流子沿y方向发生偏转，
造成在x方向定向运动的速度出现统计分布。 考虑载流子迁移率μ = v /E时，应采用速度的统计平均结果vH 稳态时，y 方向的电场力与罗伦兹力相抵消，故有 对p型半导体，当温度处在较低的杂质电离区时 在温度逐渐升高的过程中，电子由价带激发到导带的过程加剧，出现两种载流子导电机制。 温度进一步升高，更多的电子从价带激发到导带，使，故有。随后R H 将会 达到其极值R HM 。 3、范得堡法测量电阻率和霍耳效应 原理图如右图，在样品侧边制作四个电极，依次在一对相邻 的电极用来通入电流，另一对电极之间测量电位差。 电阻率 由于两霍尔电极位置不对称引起的，叫失排电压。 设B、D电极之间电压Vo，在 B、C电极间电压Ｖm，在理想范德堡样品中。电流线分布在磁场前后是不变的，因而加磁场后等位面的改变使B、D间电压改变（Vm-Vo）完全是由于霍尔效应引起的， 即电压改变量就是霍尔电压Ｖ Ｈ 。 4、霍尔效应测量中的副效应及其消除方法 在测量霍耳系数时，由于存在一系列电磁和热磁副效应，使得数字电压表测出的电位差V AB 并不 等于样品的霍耳电位差V H ，而是包括了由各种副效应引起的附加电位差与V H 之和。这些副效应主要 有以下几种。 ①由于电极A与B不能真正制作在同一等位面上，所以即使在没有加磁场B的情况下，A、B间也有一个电位差，其正负与电流I的方向有关。 ②由于载流子漂移速度有一定的分布范围，当它们在磁场作用下发生偏转时，速度快的高能粒子最早在y方向形成积累，于是在y方向两霍尔电极之间出现温度差，产生温差电压V E 。这就叫艾廷豪 森效应。不难看出，VE的极性总是与V H 一致，与B和I方向有关。 ③在沿x方向给样品加电流时，两个端电极与样品的接触电阻不同，产生的焦耳热不同，将造成沿电流方向的温差，有温度梯度就会有载流子的热扩散流。在横向磁场作用下，同样也要发生偏转，积累，产生附加的霍尔电压VN。这种效应叫能斯脱效应。VN的极性只随磁场方向改变。 ④上述热扩散速度也有个分布，从艾廷豪森效应的分析不难看出，热扩散的载流子在横向磁场作 用下向y方向积累的结果使霍尔电极间有温差电压VR。这叫里纪—勒杜克效应。V R 的极性只随磁场方向改变。
霍尔效应实验报告
南昌大学物理实验报告 课程名称：普通物理实验（ 2） 实验名称：霍尔效应 学院：专业班级： 学生姓名：学号： 实验地点：座位号： 实验时间：
一、实验目的： 1、了解霍尔效应法测磁感应强度I S的原理和方法； 2、学会用霍尔元件测量通电螺线管轴向磁场分布的基本方法； 二、实验仪器： 霍尔元件测螺线管轴向磁场装置、多量程电流表 2 只、电势差计、滑动变阻器、双路直流稳压电源、双刀双掷开关、连接导线15 根。 三、实验原理： 1、霍尔效应 霍尔效应本质上是运动的带电粒子在磁场中受洛仑磁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，从而形成附加的横加电场，即霍尔电场E H . 如果 E H <0，则说明载流子为电子，则为n 型试样；如果 E H >0，则说明载流子为空穴，即为p 型试样。 显然霍尔电场 E H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 e E H与洛仑磁力 evB 相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有：
e E H =- evB 其中 E H为霍尔电场， v 是载流子在电流方向上的平均速度。若试样的宽 度为 b，厚度为 d，载流子浓度为n，则I nevbd 由上面两式可得： 1 I S B I S B V H E H b R H（3） ne d d 即霍尔电压 V H（上下两端之间的电压）与I S B乘积成正比与试样厚度 d 成反比。 1 称为霍尔系数，它是反应材料霍尔效应强弱的重要参量。只要比列系数 R H ne 测出 V H以及知道I S、 B 和 d 可按下式计算 R H : R H V H d10 4 I S B 2、霍尔系数 R H与其他参量间的关系 根据 R H可进一步确定以下参量： （ 1）由 R H的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判别方法是电压为负， R H为负，样品属于n 型；反之则为 p 型。 （ 2）由 R H求载流子浓度 n.即n1这个关系式是假定所有载流子都具有相 R H e 同的漂移速度得到的。 （ 3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率与载流子浓度n以及迁移率之间有如下关系 ne即= R H,测出值即可求。 3、霍尔效应与材料性能的关系 由上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是选择霍尔系数大（即迁移率高、
大学物理实验报告霍尔效应
大学物理实验报告霍尔效应 一、实验名称：霍尔效应原理及其应用二、实验目的：1、了解霍尔效应产生原理；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间的关系；3、学习用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法，测量长直螺旋管轴向磁感应强度及分布；4、学习用对称交换测量法(异号法)消除负效应产生的系统误差。 三、仪器用具：YX-04 型霍尔效应实验仪(仪器资产编号)四、实验原理：1、霍尔效应现象及物理解释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于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图1 所示。半导体样品，若在x 方向通以电流，在z 方向加磁场，则在y 方向即样品A、A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的电场，电场的指向取决于样品的导电类型。显然，当载流子所受的横向电场力时电荷不断聚积，电场不断加强，直到样品两侧电荷的积累就达到平衡，即样品A、A′间形成了稳定的电势差(霍尔电压)。设为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度；样品的宽度为，厚度为，载流子浓度为，则有：(1-1) 因为，，又根据，则(1-2)其中称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出、以及知道和，可按下式计算：(1-3)(1-4)为霍尔元件灵敏度。 根据RH 可进一步确定以下参数。(1)由的符号(霍尔电压的正负)判断样品的导电类型。判别的方法是按图1 所示的和的方向(即测量中的+，+)，若测得的 <0(即A′的电位低于A 的电位)，则样品属N 型，反之为P 型。(2)由求载流子浓度，即。应该指出，这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的。严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》)。(3)结合电导率的测量，求载流子的迁移率。电导率与载流子浓度以及迁移率之间有如下关系：(1-5)2、霍尔效应中的副效应及其消除方法上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多。产生上述霍尔效应的同时还伴随产生四种副效应，使的测量产生系统误差，如图 2 所示。 (1)厄廷好森效应引起的电势差。由于电子实际上并非以同一速度v 沿y 轴负向运动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点3 的侧面，从而导致3 侧面较4 侧面集中较多能量高的电子，结果3、4 侧面出现温差，产生温差电动势。 可以证明。的正负与和的方向有关。(2)能斯特效应引起的电势差。焊点1、2 间接触电阻可能不同，通电发热程度不同，故1、2 两点间温度可能不同，于是引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热扩散电流也会在 3、4 点间形成电势差。 若只考虑接触电阻的差异，则的方向仅与磁场的方向有关。(3)里纪-勒杜克效应产生的电势差。上述热扩散电流的载流子由于速度不同，根据厄廷好森效应同样的理由，又会在3、4 点间形成温差电动势。的正负仅与的方向有关，而与的方向无关。(4)不等电势效应引起的电势差。由于制造上的困难及材料的不均匀性，3、4 两点实际上不可能在同一等势面上，只要有电流沿x 方向流过，即使没有磁场，3、4 两点间也会出现电势差。的正负只与电流的方向有关，而与的方向无关。综上所述，在确定的磁场和电流下，实际测出的电压是霍尔
霍尔效应实验报告
霍尔效应与应用设计 摘要:随着半导体物理学得迅速发展,霍尔系数与电导率得测量已成为研究半导体材料得主要方法之一。本文主要通过实验测量半导体材料得霍尔系数与电导率可以判断材料得导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。 关键词：霍尔系数,电导率，载流子浓度。 一．引言 【实验背景】 置于磁场中得载流体,如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流与磁场得方向会产生一附加得横向电场,称为霍尔效应。 如今,霍尔效应不但就是测定半导体材料电学参数得主要手段,而且随着电子技术得发展,利用该效应制成得霍尔器件,由于结构简单、频率响应宽（高达10ＧHｚ）、寿命长、可靠性高等优点,已广泛用于非电量测量、自动控制与信息处理等方面. 【实验目得】 1．通过实验掌握霍尔效应基本原理，了解霍尔元件得基本结构; 2．学会测量半导体材料得霍尔系数、电导率、迁移率等参数得实验方法与技术; 3．学会用“对称测量法"消除副效应所产生得系统误差得实验方法。 4．学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布. 二、实验内容与数据处理 【实验原理】 一、霍尔效应原理 霍尔效应从本质上讲就是运动得带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起得偏转。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与磁场得方向上产生正负电荷得聚积,从而形成附加得横向电场。如图1所示.当载流子所受得横电场力与洛仑兹力相等时,样品两侧电荷得积累就达到平衡,故有
? 其中ＥH 称为霍尔电场,就是载流子在电流方向上得平均漂移速度。设试样得宽度为b,厚度为d,载流子浓度为n ，则 ? ? ? 比例系数R Ｈ=１／n ｅ称为霍尔系数. 1． 由ＲH 得符号(或霍尔电压得正负)判断样品得导电类型。 2． 由R Ｈ求载流子浓度n ，即 (4) 3． 结合电导率得测量,求载流子得迁移率. 电导率σ与载流子浓度n 以及迁移率之间有如下关系 (5) 即，测出值即可求。 电导率可以通过在零磁场下，测量B 、C 电极间得电位差为ＶBC ,由下式求得。 (6) 二、实验中得副效应及其消除方法: 在产生霍尔效应得同时,因伴随着多种副效应，以致实验测得得霍尔电极A 、A′之间得电压为V H 与各副效应电压得叠加值,因此必须设法消除。 （１)不等势电压降V 0 图1、 霍尔效应原理示意图,a)为N 型(电子) b)为P 型(孔穴)
实验报告--霍尔效应原理及其应用
实验报告--霍尔效应原理及其应用
成都信息工程学院 物理实验报告 姓名：专业：班级：学号： 实验日期：2006-09-03一段实验教室： 5206 指导教师： 一、实验名称：霍尔效应原理及其应用 二、实验目的： 1、了解霍尔效应产生原理； 2、测量霍尔元件的H s -曲线，了解霍尔 V I V I -、H m 电压H V与霍尔元件工作电流s I、直螺线管的励磁电流m I间的关系； 3、学习用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法，测量长直螺旋管轴向磁感应强度B及分布； 4、学习用对称交换测量法（异号法）消除负效应产生的系统误差。 - 2 -
三、仪器用具：YX-04型霍尔效应实验仪（仪器资产编号） 四、实验原理： 1、霍尔效应现象及物理解释 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B f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于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图１所示。 半导体样品，若在ｘ方向通以电流s I，在ｚ方向加磁场B u r，则在ｙ方向即样品Ａ、Ａ′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的电场H E，电场的指向取决于样品的导电类型。显然，当载流子所受的横向电场力E B <时电荷不断聚积，电场不断加 f f 强，直到E B =样品两侧电荷的积累就达到平衡，即 f f 样品Ａ、Ａ′间形成了稳定的电势差（霍尔电压） V。 H - 3 -
- 4 - 设H E 为霍尔电场，v 是载流子在电流方向上的 平均漂移速度；样品的宽度为b ，厚度为d ，载流子浓度为n ，则有： s I nevbd = （1－1） 因为E H f eE =，B f evB =，又根据E B f f =，则 1s s H H H I B I B V E b R ne d d =?= ?= （1－2） 其中1/() H R ne =称为霍尔系数，是反映材料霍尔效 应强弱的重要参数。只要测出H V 、B 以及知道s I 和d ，可按下式计算 3(/) H R m c ： H H s V d R I B = （1－3） B I U K S H H /= （1—4） H K 为霍尔元件灵敏度。根据ＲH 可进一步确定 以下参数。
低温实验讲义_霍尔效应测量汇编
实验8—1变温霍尔效应 引言 1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力的情况时，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。在半导体材料中，霍尔效应比在金属中大几个数量级，引起人们对它的深入研究。霍尔效应的研究在半导体理论的发展中起了重要的推动作用。直到现在，霍尔效应的测量仍是研究半导体性质的重要实验方法。 利用霍尔效应，可以确定半导体的导电类型和载流子浓度，利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来研究半导体的导电机构(本征导电和杂质导电)和散射机构(晶格散射和杂质散射)，进一步确定半导体的迁移率、禁带宽度、杂质电离能等基本参数。测量霍尔系数随温度的变化，可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的温度特性。 根据霍尔效应原理制成的霍尔器件，可用于磁场和功率测量，也可制成开关元件，在自动控制和信息处理等方面有着广泛的应用。 实验目的 1.了解半导体中霍尔效应的产生原理，霍尔系数表达式的推导及其副效应的产生和消除。 2.掌握霍尔系数和电导率的测量方法。通过测量数据处理判别样品的导电类型，计算室温 下所测半导体材料的霍尔系数、电导率、载流子浓度和霍尔迁移率。 3.掌握动态法测量霍尔系数（R H）及电导率（σ）随温度的变化，作出R H～1/T，σ～1/T曲 线,了解霍尔系数和电导率与温度的关系。 4.了解霍尔器件的应用,理解半导体的导电机制。 实验原理 1．半导体内的载流子 根据半导体导电理论,半导体内载流子的产生有两种不同的机构：本征激发和杂质电离。 （1）本征激发 半导体材料内共价键上的电子有可能受热激发后跃迁到导带上成为可迁移的电子，在原共价键上却留下一个电子缺位—空穴，这个空穴很容易受到邻键上的电子跳过来填补而转移到邻键上。因此，半导体内存在参与导电的两种载流子：电子和空穴。这种不受外来杂质的影响由半导体本身靠热激发产生电子—空穴的过程，称为本征激发。显然，导带上每产生一个电子，价带上必然留下一个空穴。因此，由本征激发的电子浓度n和空穴浓度p应相等，并统称为本征浓度n i，由经典的玻尔兹曼统计可得 n i=n=p=(N c N v)1/2exp(-E g/2k B T)=K’T3/2 exp(-E g/2k B T) 式中N c，N v分别为导带、价带有效状态密度，K’为常数，T为温度，E g为禁带宽度，k B为玻尔兹曼常数。 （2）杂质电离 在纯净的第IV族元素半导体材料中，掺入微量III或V族元素杂质，称为半导体掺杂。掺杂后的半导体在室温下的导电性能主要由浅杂质决定。 如果在硅材料中掺入微量III族元素（如硼或铝等），这些第III族原子在晶体中取代部
霍尔效应实验报告(DOC)
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s H I V -，M H I V -曲线了解霍尔电势差H V 与霍尔元件控制（工作）电流s I 、励磁电流M I 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s I (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s I 相反的Ｘ负向运动。 由于洛伦兹力L f 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E f 的作用。随着电荷积累量的增加,E f 增大，当两力大小相等(方向相反)时,L f =-E f ，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H E ,相应的电势差称为霍尔电压H V 。 设电子按均一速度V 向图示的X 负方向运动，在磁场B 作用下,所受洛伦兹力为L f ＝-e V B 式中e 为电子电量，V 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 l eV eE f H H E /-=-= 式中H E 为霍尔电场强度,H V 为霍尔电压，l 为霍尔元件宽度
变温霍尔效应.
变温霍尔效应 如果在电流的垂直方向加以磁场，则在同电流和磁场都垂直的方向上，将建立起一个电场，这种现象称为霍耳效应。霍尔效应是1879年霍耳在研究导体在磁场中受力的性质时发现的，对分析和研究半导体材料的电输运性质具有十分重要的意义。目前，霍耳效应不仅用来确定半导体材料的性质，利用霍耳效应制备的霍耳器件在科学研究、工业生产上都有着广泛的应用。 通过变温霍尔效应测量可以确定材料的导电类型、载流子浓度与温度的关系、霍耳迁移率和电导迁移率与温度的关系、材料的禁带宽度、施主或受主杂质以及复合中心的电离能等。 一 实验目的 1.了解和学习低温实验中的低温温度控制和温度测量的基本原理与方法； 2.掌握利用霍尔效应测量材料的电输运性质的原理和实验方法； 3.验证P型导电到N 型导电的转变。 二 实验原理 1. 半导体的能带结构和载流子浓度 没有人工掺杂的半导体称为本征半导体，本征半导体中的原子按照晶格有规则的排列，产生周期性势场。在这一周期势场的作用下，电子的能级展宽成准连续的能带。束缚在原子周围化学键上的电子能量较低，它们所形成的能级构成价带；脱离原子束缚后在晶体中自由运动的电子能量较高，构成导带，导带和价带之间存在的能带隙称为禁带。当绝对温度为0 k时，电子全被束缚在原子上，导带能级上没有电子，而价带中的能级全被电子填满（所以价带也称为满带）；随着温度升高，部分电子由于热运动脱离原子束缚，成为具有导带能量的电子，它在半导体中可以自由运动，产生导电性能，这就是电子导电；而电子脱离原子束缚后，在原来所在的原子上留下一个带正电荷的电子的缺位，通常称为空穴，它所占据的能级就是原来电子在价带中所占据的能级。因为邻近原子上的电子随时可以来填补这个缺位，使这个缺位转移到相邻原子上去，形成空穴的自由运动，产生空穴导电。半导体的导电性质就是由导带中带负电荷的电子和价带中带正电荷的空穴的运动所形成的。这两种粒子统称载流子。本征半导体中的载流子称为本征载流子，它主要是由于从外界吸收热量后，将电子从价带激发到导带，其结果是导带中增加了一个电子而在价带出现了一个空穴，这一过程成为本征激发。所以，本征载流子（电子和空穴）总是成对出现的，它们的浓度相同，本征载流子浓度仅取决于材料的性质（如材料种类和禁带宽度）及外界的温度。 为了改变半导体的性质，常常进行人工掺杂。不同的掺杂将会改变半导体中电子或空穴的浓度。若所掺杂质的价态大于基质的价态，在和基质原子键合时就会多余出电子，这种电子很容易在外界能量（热、电、光能等）的作用下脱离原子的束缚成为自由运动的电子（导带电子），所以它的能级处在禁带中靠近导带底的位置（施主能级），这种杂质称为施主杂质。施主杂质中的电子进入导带的过程称为电离过程，离化后的施主杂质形成正电中心，它所放出的电子进入导带，使导带中的电子浓度远大于价带中空穴的浓度，因此，掺施主杂质的半导体呈现电子导电的性质，称为n型半导体。施主电离过程是施主能级上的电子跃迁到导带并在导带中形成电子的过程，跃迁所需的能量就是施主电离能；反之，若所掺杂质的价态小于基质的价态，这种杂质是受主杂质，它的能级处在禁带中靠近价带顶的位置（受主能级），受主杂质很容易被离化，离化时从价带中吸引电子，变为负电中心，使价带中出现空穴，呈空穴导电性质，这样的半导体为p型半导体。受主电离时所需的能量就是受主电离能。
霍尔效应实验报告[共8篇]
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