实验十霍耳效应的研究.ppt.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 I H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。 F B =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 F E=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 I H=pqυω d,则空穴的速度υ=I H/pqωd代入( 2)式有: E=┃υ× B┃= I HB/pqωd (3) 上式两边各乘以ω,便得到 U H=Eω= I H B/ pqd = R H×I H B/d (4) RH=1/ pq称为霍耳系数, 在应用中一般写成 U H= I H K H B (5) 比例系数 K H= R H/d=1/ pqd 称为霍耳元件灵敏度,单位为 mV/ (mA·T), 一般要求 K H愈大愈好。 K H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 K H厚度 d成反比,所以霍耳元件都做得很薄,一般只有 mm厚。由公式(5) 可以看出,知道了霍耳片的灵敏度 K H,只要分别测出霍耳电流 I H及霍耳电势差 U H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 E 1为电磁铁提供励磁电流 I M,通过变阻器 R 1,可以调节 I M的大小。电源 E 2通过可变电阻 R 2(用电阻箱)为霍耳元件提供霍耳电流 I H,当E 2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 E 2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, U H3·4<0;若载流子为空穴则4点电位低 3点电位的,电位于 U H3·4>0,如果知道载流子类型则可以根据 U H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 I H=I 0sin ωt,则 U H= I H K H B= I 0 K H Bsin ωt (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。 E 1K 1R 1K 3 E 2K 2R 2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,还会伴随一些热磁副效应,它使所测得的电压不只是 U H,还会附加另外一些电压,给测量带来误差。这些热磁效应有埃廷斯豪森效应,是由于在霍耳片两端有温度差,从而产生温差电动势 U E,它与霍耳电流 I H、磁场 B方向有关;能斯特效应,是由于当热流通过霍耳片(如 1,2端)在其两侧(3,4端)会有电动势 U N产生,只与磁场 B和热流有关;里吉-勒迪克效应,是当热流通过霍耳片时两侧会有温度产生,从而又产生温差电动势 U R,它同样与磁场 B热场有关。除了这些热磁副效应外还有不等位电势差 U 0。它是由于两侧( 3,4)的电极不在同一等势面上引起的。当霍耳电流通过 1,2端时,即使不加磁场, 3和4端也会有电势差 U 0产生,其方向随电流I H方向而改变。因此,为了消除副效应的影响,在操作时需要分别改变 I H的方向和 B的方向,记下四组电势差数据( K1,K2换向开关“上”为正): 当I H正向, B为正向时, U 1= U H+ U 0+ U E+ U N+