霍爾效應實驗儀原理及其應用.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，僅供學習與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除一、實驗名稱： 霍爾效應原理及其應用二、實驗目的：1、了解霍爾效應產(chǎn)生原理；2、測量霍爾元件的、曲線，了解霍爾電壓與霍爾元件工作電流、直螺線管的勵磁電流間的關系；3、學習用霍爾元件測量磁感應強度的原理和方法，測量長直螺旋管軸向磁感應強度及分布；4、學習用對稱交換測量法（異號法）消除負效應產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。三、儀器用具：YX-04型霍爾效應實驗儀（儀器資產(chǎn)編號）四、實驗原理：1、霍爾效應現(xiàn)象及物理解釋霍爾效應從本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導致在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場。對于圖所示。半導體樣品，若在方向通以電流，在方向加磁場，則在方向即樣品、電極兩側(cè)就開始聚積異號電荷而產(chǎn)生相應的電場，電場的指向取決于樣品的導電類型。顯然，當載流子所受的橫向電場力時電荷不斷聚積，電場不斷加強，直到樣品兩側(cè)電荷的積累就達到平衡，即樣品、間形成了穩(wěn)定的電勢差（霍爾電壓）。設為霍爾電場，是載流子在電流方向上的平均漂移速度；樣品的寬度為，厚度為，載流子濃度為，則有： （11）因為，又根據(jù)，則 （12）其中稱為霍爾系數(shù)，是反映材料霍爾效應強弱的重要參數(shù)。只要測出、以及知道和，可按下式計算： （13） （14）為霍爾元件靈敏度。根據(jù)H可進一步確定以下參數(shù)。（）由的符號（霍爾電壓的正負）判斷樣品的導電類型。判別的方法是按圖所示的和的方向（即測量中的，），若測得的（即的電位低于的電位），則樣品屬型，反之為型。（）由求載流子濃度，即。應該指出，這個關系式是假定所有載流子都具有相同的漂移速度得到的。嚴格一點，考慮載流子的速度統(tǒng)計分布，需引入的修正因子（可參閱黃昆、謝希德著半導體物理學）。（）結(jié)合電導率的測量，求載流子的遷移率。電導率與載流子濃度以及遷移率之間有如下關系： （15）圖在磁場中的霍爾元件2、霍爾效應中的副效應及其消除方法上述推導是從理想情況出發(fā)的，實際情況要復雜得多。產(chǎn)生上述霍爾效應的同時還伴隨產(chǎn)生四種副效應，使的測量產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，如圖所示。（）厄廷好森效應引起的電勢差。由于電子實際上并非以同一速度沿軸負向運動，速度大的電子回轉(zhuǎn)半徑大，能較快地到達接點的側(cè)面，從而導致側(cè)面較側(cè)面集中較多能量高的電子，結(jié)果、側(cè)面出現(xiàn)溫差，產(chǎn)生溫差電動勢?？梢宰C明。的正負與和的方向有關。（）能斯特效應引起的電勢差。焊點、間接觸電阻可能不同，通電發(fā)熱程度不同，故、兩點間溫度可能不同，于是引起熱擴散電流。與霍爾效應類似，該熱擴散電流也會在、點間形成電勢差。若只考慮接觸電阻的差異，則的方向僅與磁場的方向有關。（）里紀-勒杜克效應產(chǎn)生的電勢差。上述熱擴散電流的載流子由于速度不同，根據(jù)厄廷好森效應同樣的理由，又會在、點間形成溫差電動勢。的正負僅與的方向有關，而與的方向無關。（）不等電勢效應引起的電勢差。由于制造上的困難及材料的不均勻性，、兩點實際上不可能在同一等勢面上，只要有電流沿x方向流過，即使沒有磁場，、兩點間也會出現(xiàn)電勢差。的正負只與電流的方向有關，而與的方向無關。綜上所述，在確定的磁場和電流下，實際測出的電壓是霍爾效應電壓與副效應產(chǎn)生的附加電壓的代數(shù)和?？梢酝ㄟ^對稱測量方法，即改變和磁場的方向加以消除和減小副效應的影響。在規(guī)定了電流和磁場正、反方向后，可以測量出由下列四組不同方向的和組合的電壓。即：，：，：，：，：然后求，的代數(shù)平均值得：通過上述測量方法，雖然不能消除所有的副效應，但較小，引入的誤差不大，可以忽略不計，因此霍爾效應電壓可近似為 （16）3、直螺線管中的磁場分布1、以上分析可知，將通電的霍爾元件放置在磁場中，已知霍爾元件靈敏度，測量出和，就可以計算出所處磁場的磁感應強度。 （17）2、直螺旋管離中點處的軸向磁感應強度理論公式： （18）式中，是磁介質(zhì)的磁導率，為螺旋管的匝數(shù)，為通過螺旋管的電流，為螺旋管的長度，是螺旋管的內(nèi)徑，為離螺旋管中點的距離。 X=0時，螺旋管中點的磁感應強度 （9）五、 實驗內(nèi)容： 測量霍爾元件的、關系；1、將測試儀的“調(diào)節(jié)”和“調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位（即逆時針旋到底），極性開關選擇置“0”。2、接通電源，電流表顯示“0.000”。有時，調(diào)節(jié)電位器或調(diào)節(jié)電位器起點不為零，將出現(xiàn)電流表指示末位數(shù)不為零，亦屬正常。電壓表顯示“0.0000”。3、測定關系。取900mA，保持不變；霍爾元件置于螺旋管中點（二維移動尺水平方向14.00cm處與讀數(shù)零點對齊）。順時針轉(zhuǎn)動“調(diào)節(jié)”旋鈕，依次取值為1.00，2.00，10.00mA，將和極性開關選擇置“” 和“”改變與的極性，記錄相應的電壓表讀數(shù)值，填入數(shù)據(jù)記錄表1。4、以為橫坐標，為縱坐標作圖，并對曲線作定性討論。5、測定關系。取=10 mA ,保持不變；霍爾元件置于螺旋管中點（二維移動尺水平方向14.00cm處與讀數(shù)零點對齊）。順時針轉(zhuǎn)動“調(diào)節(jié)”旋鈕，依次取值為0，100，200，900 mA，將和極性開關擇置“” 和“”改變與的極性，記錄相應的電壓表讀數(shù)值，填入數(shù)據(jù)記錄表2。6、以為橫坐標，為縱坐標作圖，并對曲線作定性討論。測量長直螺旋管軸向磁感應強度1、取=10 mA，900mA。2、移動水平調(diào)節(jié)螺釘，使霍爾元件在直螺線管中的位置（水平移動游標尺上讀出），先從14.00cm開始，最后到0cm點。改變和極性，記錄相應的電壓表讀數(shù)值，填入數(shù)據(jù)記錄表3，計算出直螺旋管軸向?qū)恢玫拇鸥袘獜姸取?、以為橫坐標，為縱坐標作圖，并對曲線作定性討論。4、用公式（18）計算長直螺旋管中心的磁感應強度的理論值，并與長直螺旋管中心磁感應強度的測量值比較，用百分誤差的形式表示測量結(jié)果。式中,其余參數(shù)詳見儀器銘牌所示。六、 注意事項：1、為了消除副效應的影響，實驗中采用對稱測量法，即改變和的方向。2、霍爾元件的工作電流引線與霍爾電壓引線不能搞錯；霍爾元件的工作電流和螺線管的勵磁電流要分清，否則會燒壞霍爾元件。3、實驗間隙要斷開螺線管的勵磁電流與霍爾元件的工作電流，即和的極性開關置0位。4、霍耳元件及二維移動尺容易折斷、變形，要注意保護，應注意避免擠壓、碰撞等，不要用手觸摸霍爾元件。七、 數(shù)據(jù)記錄：KH=23.09，N=3150匝，L=280mm,r=13mm表1 關系 （=900mA）（mV）（mV）（mV）（mV）1.000.28-0.270.31-0.300.292.000.59-0.580.63-0.640.613.000.89-0.870.95-0.960.904.001.20-1.161.27-1.291.235.001.49-1.461.59-1.611.546.001.80-1.771.90-1.931.857.002.11-2.072.22-2.252.178.002.41-2.382.65-2.542.479.002.68-2.692.84-2.872.7710.002.99-3.003.17-3.193.09表2 關系 （=10.00mA）（mV）（mV）（mV）（mV）0-0.100.080.14-0.160.121000.18-0.200.46-0.470.332000.52-0.540.80-0.790.663000.85-0.881.14-1.151.004001.20-1.221.48-1.491.355001.54-1.561.82-1.831.696001.88-1.892.17-2.162.027002.23-2.242.50-2.512.378002.56-2.582.84-2.852.719002.90-2.923.18-3.203.05表3 關系 =10.00mA，=900mA（mV）（mV）（mV）（mV）B 10-3T00.54-0.56-0.73-0.742.880.50.95-0.991.17-1.184.641.01.55-1.581.80-1.757.232.02.332.37-2.88-2.5210.574.02.74-2.792.96-2.9412.306.02.88-2.923.09-3.0812.908.02.91-2.953.13-3.1113.1010.02.92-2.963.13-3.1313.1012