实验十六 霍尔效应

利用霍尔效应测量元件参数 1879年美国物理学家霍尔在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现了霍尔效应，它是电磁基本现象之一。利用此现象制成的各种霍尔元件，特别是测量元件，广泛地应用于工业自动化和电子技术中。对于半导体材料，测量霍尔系数和电导率，是研究它们的电性能的重要手段。霍尔元件也作为磁电转换器，在磁量的电测方面起着重要的作用。 除了在固体材料中有霍尔效应外，在导电流体中同样会产生霍尔效应。如磁流体发电所依据的就是等离子体的霍尔效应。1980年，德国物理学家克立钦发现了量子霍尔效应，随后美国物理学家崔琦等又发现了分数量子霍尔效应，由此，他们分享了1985年和1998年的诺贝尔物理学奖。 【目的与要求】 1． 了解霍尔效应测量磁场的原理和 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ； 2． 观察磁电效应现象； 3． 学会用霍尔元件测量磁场及元件参数的基本方法。 【仪器与装置】 霍尔效应实验仪 【原理】 1．霍尔效应 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所产生的。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积累，从而形成附加的横向电场。如图5.1-1所示的半导体试样，若在 方向通以电流 ，在 方向（垂直纸面向外）加磁场 ，则在 方向即试样 、 电极两侧就开始积累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。显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移的。当载流子所受的横向电场力 与洛仑兹力 相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡。故有 （5.1-1） 其中 为霍尔电场， 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。在此，载流子电量为电子电量 。 设试样的宽为 ，厚为 ，载流子浓度为 ，则： （5.1-2） 由5.1-1、5.1-2两式可得： （5.1-3） 即霍尔电压 （ 、 电极之间的电压）与 乘积成正比，与试样厚度成反比。比例系数 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出 （伏），以及知道 （安）、 （特斯拉），可按下式计算出 （伏特/安培·特斯拉）： （5.1-4） 根据 可进一步确定以下参数： （1）由 的符号（或霍尔电压的正负）判别半导体样品的导电类型； 判别的方法是按图5.1-1所示的 和 的方向，若测得的 < 0（即点A`的电位低于点A的电位）则 为负，样品属 型，反之则为 型。 （2）由 求载流子浓度 ，即 ； （3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率 。 迁移率表示单位电场下载流子的平均漂移速度，它是反映半导体中载流子导电能力的重要参数。电导率 与载流子浓度 以及迁移率 之间有如下关系： （5.1-5） 测出 值即可求 。 在实验中测出 ， 、 两电极间电压 。已知 、 间长为 ，样品截面积 ，工作电流为 ，由欧姆定律 ，得 （ ）。其中 为电子电量 库仑。 2．各种附效应及其消除 以上讨论的霍尔电压是在理想情况下产生的，实际上，在产生霍尔效应的同时，还伴随着各种附效应，所以实验测到的 并不等于真实的霍尔电压值，而是包含着各种附效应所引起的附加电压。如图5.1-2所示的不等势电压降，这是由于测量霍尔电压的电极 和 的位置很难做到在一个理想的等势面上，因此当有电流 通过时，既使不加磁场也会产生附加的电压。但附加电压的符号只与电流 的方向有关，与磁场 的方向无关，因此，对此附加电压可通过改变 的方向予以消除。 除此而外还存在由热电效应和热磁效应所引起的各种附效应，不过，这些附效应基本上都与 和 的方向有关，均可通过对称测量法，即改变 和 的方向加以消除。即在规定了电流和磁场的正、负方向后，分别测量由下列四组不同方向的 和 组合的 ，即： ， ， ， ， 然后求 、 、 和 的代数平均值 （5.1-6） 通过上述的测量方法，基本上可以消除附效应，这可由 曲线来验证。 3．仪器简介： 本实验仪器由两部分组成：测试仪和实验仪。 （1） 实验仪介绍 实验仪由两部分组成（见图5.1-3、图5.1-5） ① 样品架及电磁铁 磁体线包绕向为顺时针（操作者面对实验仪）。根据线包绕向及励磁电流 的方向，可确定磁感应强度 的方向，而 的大小与 的关系由线包上所标 决定。一般HB>3.00 高斯/安培或 特斯拉/安培。 样品为半导体硅单晶片，固定在样品架一端(不可用手去触摸)。其几何尺寸如图5.1-4：厚度： ，宽度 ，AC电极间距 。 样品共有三对电极，其中 、 或 、 用于测量霍尔电压； 、 或 、 用于测量电导； 、 为样品工作电流 电极。 样品架有 、 方向调节功能及读数装置，可调节样品在磁场中的位置。 ② 三个双刀开关 、 为 、IM换向开关； 为VH、 测量选择开关。IS、IM、VH、 与 、 、 的连线见图5.1-3。 （2） 测试仪介绍： 测试仪面板如图5.1-5所示。测试仪由两部分组成： ① 两组恒流源 “ 输出”为 样品（霍尔元件）工作电流源。“ 输出”为 励磁电流源。两组电源彼此独立，其输出大小分别由 调节旋钮及 调节旋钮调节，其值通过“测量选择”按键由同一只数字电流表进行观测。“测量选择”键按下为 ，弹起为 。 接至霍尔效应实验仪中换向开关 ， 接至霍尔效应实验仪中换向开关 （切不可接错）。 ② 直流数字电压表 VH为通过A、A`电极测得的样品霍尔电压。 为通过A、C电极测得的样品电压，用以计算样品电导率。VH 、 通过测试仪上切换开关 由同一数字电压表进行观测。当VH 、 输入为零时（输入线短接），由调零旋钮对电压表进行零位调节。当显示器的数字前出现“—”号时，表示被测电压极性为负值。实验时将霍尔效应实验仪中开关 接至测试仪中的VH 、 输入端。 【 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 及步骤】 1． 仪器调整 （1）按图连接、检查线路，并调节样品支架，使霍尔片位于磁场中间； （2）逆时针将 、 调节旋钮旋至最小； （3）分别将 输出、 输出接至实验仪中 、 换向开关； （4）用导线将 、 输入短接，通过调零旋钮将 、 显示调零 （5）选择 、 向上关闭为 、 的正方向。 2． 测量内容 （1）测绘 曲线：保持 不变，按要求调节 ，分别测出不同 下的四个 值，将数据 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 在 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 中； （2）测绘 曲线：保持 不变，测出不同 下四个 值； （3）测VAC：取 ，在零磁场下（ ）测 ，则VAC = 10 ； （4）确定样品导电类型：选 、 为正向，根据所测得的 的符号, 判断样品的导电类型。 表5.1.1 测量 曲线 电压单位：mV (mA) V1 V2 V3 V4 VH=(V1-V2+V3-V4)/4 +B,+IS -B,+IS -B,-IS +B,-IS 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 4.00 表5.1.2 测量 曲线 电压单位：mV (A) V1 V2 V3 V4 VH=(V1-V2+V3-V4)/4 +B,+IS -B,+IS -B,-IS +B,-IS 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 【数据处理】 1．磁感应强度 （特斯拉） H标在线包上。作 曲线，由曲线求出 ，带入 ，计算出霍尔系数； 2．计算载流子浓度n （ m-3）， 其中e为电子电量 库仑； 3． 绘制 曲线 在坐标纸上绘出 曲线； 4． 计算电导率 （安/伏 米），及迁移率 （米2/ 伏 秒）。 【设计内容】 1．根据霍尔效应，测量磁感应强度原理，利用提供的仪器测试所给模型测量面上的一维（上下方向）磁分布。 测量要求：描绘磁场分布（B—X曲线）研究所记录的磁与数字信号,（设计表格,在坐标纸上作曲线,写出实验步骤）表示出模拟量与数字信号的对应关系。 2．测量电磁铁间隙及其周围的磁场分布。 测量要求：首先考虑如何采点，将测量结果分别用表格和曲线表示。 【问题】 1． 若磁场方向与霍尔元件不垂直，对测量结果有何影响（设电流方向仍与磁场垂直）？ 2． 若磁场方向与电流不垂直，测出的磁感应强度比实际值大还是小？为什么？ � EMBED PBrush � � EMBED PBrush ��� � EMBED PBrush ��� � EMBED PBrush ��� � EMBED PBrush ��� 6 5 _1106653400.unknown _1106654071.unknown _1106654294.unknown _1111727715.unknown _1111730432.unknown _1111730522.unknown _1115230486.unknown _1115230501.unknown _1111730494.unknown _1111730450.unknown _1111730475.unknown _1111728044.unknown _1111728150.unknown _1111730089.unknown _1111730102.unknown _1111730416.unknown _1111730071.unknown _1111728136.unknown _1111728004.unknown 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