实验十霍耳效应研究.ppt

实验十霍耳效应的研究霍耳元件因其体积小,使用简便,测量准确度高,可测量交、直流磁场等优点,得到了广泛的应用。配以其他装置可用于位置、位移、转速、角度等物理量的测量和自动控制。本实验要求学****者深入了解霍耳效应的基本原理;学会霍耳元件灵敏度的测量方法;应用霍耳元件测量磁场。【实验目的】1、了解霍耳效应的基本原理,测量霍耳元件的灵敏度;2、学会用霍耳元件测量磁感应强度的方法。【实验原理】1、霍耳效应霍耳电势差是这样产生的:当电流IH通过霍耳元件(假设为P型)时,空穴有一定的漂移速度υ,垂直磁场对运动电荷产生一个洛伦兹力。FB=q(υ×B)(1)式中q为电子电荷,洛伦兹力使电荷产生横向的偏转,由于样品有边界,所以有些偏转的载流子将在边界积累起来,产生一个横向电场E,直到电场对载流子的作用力FE=qE磁场作用的洛伦兹力相抵消为止,即q(υ×B)=qE(2)图1霍耳效应简图这时电荷在样品中流动时将不再偏转,霍耳电势就是由这个电场建立起来的。如果是N型样品,则横向电场与前者相反,所以N型样品和P型样品的霍耳电势差有不同的符号,据此可以判断霍耳元的导电类型。设P型样品的载流子浓度为p,宽度为ω,厚度为d,通过样品电流IH=pqυωd,则空穴的速度υ=IH/pqωd代入(2)式有:E=┃υ×B┃=IHB/pqωd(3)上式两边各乘以ω,便得到UH=Eω=IHB/pqd=RH×IHB/d(4)RH=1/pq称为霍耳系数,在应用中一般写成UH=IHKHB(5)比例系数KH=RH/d=1/pqd称为霍耳元件灵敏度,单位为mV/(mA·T),一般要求KH愈大愈好。KH与载流子浓度p成反比,半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小,所以都用半导体材料作为霍耳元件。与KH厚度d成反比,所以霍耳元件都做得很薄,。由公式(5)可以看出,知道了霍耳片的灵敏度KH,只要分别测出霍耳电流IH及霍耳电势差UH就可算出磁场B的大小,这就是霍耳效应测磁场的原理。【实验原理】2、用霍耳元件测磁场磁感应强度的计量方法很多,如磁通法、核磁共振法及霍耳效应法等。其中霍耳效应法具有能测交直流磁场,简便、直观、快速等优点,应用最广。如图2所示。直流电源E1为电磁铁提供励磁电流IM,通过变阻器R1,可以调节IM的大小。电源E2通过可变电阻R2(用电阻箱)为霍耳元件提供霍耳电流IH,当E2电源为直流时,用直流毫安表测霍耳电流,用数字万用表测量霍耳电压;当E2为交流时,毫安表和毫伏表都用数字万用表测量。半导体材料有N型(电子型)和P型(空穴型)两种,前者载流子为电子,带负电;后者载流子为空穴,相当于带正电的粒子。由图可以看出,若载流子为电子则4点电位高于3点电位,UH3·4<0;若载流子为空穴则4点电位低3点电位的,电位于UH3·4>0,如果知道载流子类型则可以根据UH的正负定出待测磁场的方向。由于霍耳效应建立电场所需时间很短(经10-12--10-14s),因此通过霍耳元件的电流用直流或交流都可以。若霍耳电流IH=I0sinωt,则UH=IHKHB=I0KHBsinωt(6)所得的霍耳电压也是交变的。在使用交流电情况下(5)式仍可使用,只是式中的IH和UH应理解为有效值。E1K1R1K3E2K2R2图2测量霍耳电势差电路【实验原理】3、消除霍耳元件副效应的影响在实际测量过程中,还会伴随一些热磁