《霍尔元件测磁场(共9页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《霍尔元件测磁场(共9页).doc（9页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上实验8霍尔元件测磁场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。金属材料的霍尔效应太弱而未得到实际应用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人们利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到使用和发展，广泛用于非电量检测、电动控制、电磁测量和计算装置方面。近年来霍尔效应实验不断有新的发现，在低温和强磁场条件下的量子霍尔效应是凝聚态物理领域最重要的发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并已取得了重要应用。【实验目的】（1） 了解霍尔效应原理。（2） 学习利用霍尔效应测量霍尔元件有关参数。（3） 学习用“对称交换测量法”消除附加效应的影响。（4
2、） 学习用霍尔元件测磁场的基本方法。【实验仪器】霍尔效应实验仪，霍尔效应测试仪【原理】1 霍尔效应1879年，当时为美国普多金斯大学研究生院二年级学生的霍尔，在研究载流导体在磁场中受力性质时发现：当一电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于电流和磁场的方向导体的两侧会产生一电位差，如图4-8-1所示。将这种实验现象称做霍尔效应，所产生的电位差称霍尔电压，产生霍尔效应的载流导体、半导体、离子晶体称霍尔元件。 霍尔电压的成因可用电子论解释：导体中若沿X方向通以电流，电流密度为，则有沿负X方向运动的电子，设速度为,此电子将受Z方向的磁场B的洛伦兹力的作用，从而在导体A侧积累了电子，这样就形成了沿负Y
3、方向的电场，即形成了霍尔电压。2 测磁场原理如果导体中电流I是稳定而均匀的，则电流密度J的大小为式中，为矩形导体的宽；为其厚度；为导体垂直于电流方向的截面积。如果在导体所在的范围内，磁场B也是均匀的，则霍尔电场也是均匀的，大小为 （4-8-1） 霍尔电场的建立使电子受到一电场力,方向与洛伦兹力相反，并随着电荷积累的增加，霍尔电场的电场力也增大。当达到一定程度时，电场力与洛伦兹力大小相等，电荷积累达到动态平衡，形成稳定的霍尔电压，同时电流恢复到原来的稳定值，达到动态平衡时有 (4-8-2） 将式（4-8-1）代入得 （4-8-3）在此式中，、容易测，但电子运动速度难用简单的方法测量，而电流是容易
4、测量的，为此将变成与有关的参数。由电流密度，为载流子的浓度，得 故有 （4-8-4） 将此式代入（4-8-3）得 令，则有 （4-8-5） 式中，为霍尔系数。通常还定义，称霍尔元件灵敏度，这时上式可写成 （4-8-6）式中，表示当电流为单位电流时，单位磁感应强度产生的霍尔电压。由和的定义可知，对一给定的霍尔元件，和有唯一确定的值，在电流不变的情况下，与有一一对应的关系，由式（4-8-6）可见，若已知，只要测得和就可计算出值。 或值通常由生产厂家给出。若未给出可以进行测量。方法是在已知磁场中，给霍尔元件通一定电流通，然后测出，从而得知此霍尔元件的值。3霍尔元件根据霍尔效应制成的器件称霍尔元件。由
5、上可知，对测磁场而言，越大越好，由于金属中的电子浓度很高，它的值不可能很大，故霍尔元件大都采用半导体材料，而且由于电子的迁移率大于空穴的迁移率，为使大，大都采用N型半导体材料，如锗等。霍尔元件的结构，通常用一长方形半导体材料，长宽之比大于5。在长度方向两端焊两根引线，称输入电流端导线；在宽度方向两端面对称地焊两根引线，称输出电压端引线，如图4-8-2所示。其主要参数为：（1） 霍尔系数由式（4-8-5）可以得出 （2） 导电类型由的正负符号（或霍尔电压的正负）可以判断样品的导电类型。按图（4-8-1）所示的和的方向，若测得，则为负，样品属N型，反之则为P型。（3） 载流子浓度 应该指出，这个关
6、系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的。（4） 载流子迁移率电导率与载流子浓度以及迁移率之间有如下关系即 ，测出值即可求出。4伴随霍尔效应产生的几种负效应在研究磁场中导体通电过程中，继霍尔效应之后，又发现了几种负效应，它们是：(1) 厄廷豪森效应。由于电子的速度服从统计规律，电子的速度不相同，它们所受的洛伦兹力不同，因此偏转程度不同。由于不同速度的电子具有不同的能量，故会在霍尔元件的短方向，即图4-8-1的Y方向形成温度梯度，而且在电压引线处，引线材料和霍尔元件材料不同，从而产生温差电动势。这一电动势与电流和磁感应强度的方向均有关。(2) 能斯脱效应。由于两个电流引线焊接点处的电阻不同
7、，通电后则发热程度不同，在两端点间形成温度差，从而产生热扩散电流。在磁场的作用下，沿霍尔元件的宽度方向，同样形成一个电压。这一效应称能斯脱效应。电压与磁感应强度方向有关，而与电流方向无关。(3) 里记勒杜克效应。考虑热扩散电流的载流子的速度不同，类似厄廷豪森效应，由此也会在霍尔元件宽度方向上形成电位差。它也只与的方向有关。(4) 不等位电位差。如图4-8-3所示，当霍尔元件通电时，由于霍尔元件存在电阴，沿电流方向形成电位降。又由于材料本身的不均匀或电压引线焊接的不对称，即使无磁场存在，电引线间也会存在一定电位差，此电位差称做不等位电位差。显然，它的方向只与电流方向有关。5霍尔电压的测量方法要测
8、磁感强度，必须测出霍尔电压，但由于各种负效应的伴随产生和不等位电位差的存在，实测电压不仅包括霍尔电压，还包括，即： 由于这些附加电压的正、负与电流或磁感应强度的方向有关，因此使我们有可能不改变和的大小，而只改变其方向来消除这些附加电压的影响。具体方法是：设、时测得 、时测得 、时测得 、时测得 由上面4式得 所以 由上式可见，霍尔电压只含有厄廷豪森效应的影响。考虑到很小可忽略不计。因此 6电导率的测量 可以通过样品图4-8-5所示的、（或、）电极进行测量，设、间距为，样品横截面积为，流经样品的电流为，在零磁场下，若没得、间的电位差为（即 ），则可以由下式求得 【内容和要求】1 实验装置（1）
9、实验仪1）电磁铁。规格为大于3.00，磁铁线包的引线有星标者为头（见实验仪上所示），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流向，可确定磁感应强度的方向，而的大小与的关系由厂家给定并标明在线包上。2）样品和样品架。样品材料为N型半导体硅单晶片，根据空脚的位置不同，样品分为两种形式，即图4-8-5中（a）和（b），样品的几何尺寸为：厚度d=0.5mm ，宽度b=4.0mm ，A、C两极间距=3.0mm。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。各电极与双刀换接开关的连线见实验图示说明（图4-8-4）。样品架具有X，Y轴方向调节功能
10、及读数装置，样品放置的方位（操作者面对实验仪）如样品图所示。3）和换向开关及、切换开关。工作电流和励磁电流换向开关投向上方，则和均为正值，反之为负值；“、”切换开关投向上方测量，下方测量。（2）测试仪（如图4-8-6）所示） “输出”为010样品工作电流源，“输出”为01励磁电流源，两组电流源彼此独立，两路电流通过调节旋钮及调节旋钮进行调节，其值可通过“测量选择”按键由同一数字电流表测量，按键测量，放键测量。和通过功能切换开关由同一只数字电压表进行测量。 注意事项：(1) 霍尔片性脆易碎，电极甚细易断，严防撞击，或用手去触摸，否则，即遭损坏！在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎，切勿随意改变Y轴方向的位置，以免霍尔片与磁极面磨擦而受损。(2) 测试仪开机和关机前，都应将、调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小状态，然后再开机或切断电源。(3) 实验仪上“、”切换开关应始终保持闭合状态。(4) 绝不允许将“输出”接到“输入”或“、输出”处，否则一旦通电，样品即遭损坏！2实验步骤（1）将实验仪的“、输出”双刀开关投向，测试仪的“功能切换”置于，保持不变，测绘曲线。（2）保持不变，测绘曲线。（3）先将“、输出”双刀开关投向，“功能切换”置于，在零磁场（即令）下，取，测量即为。（4）确定样品的导电类型，并求出、。专心-专注-专业