《2022年霍尔效应测磁场详案或者教案-湖南高校通用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年霍尔效应测磁场详案或者教案-湖南高校通用.docx（13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、精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载试验 8. 霍尔效应测磁场教学目的1.明白霍尔效应原理以及有关霍尔器件对材料要求的熟悉；2.学习用“ 对称测量法” 排除副效应的影响,测量试样的UH-sI 和UH-IM曲线；3.确定试样的导电类型、载流子浓度；测量霍尔元件的电导率、载流子迁移率；4.学习利用霍尔效应测量磁感应强度 B 的原理和方法；教学重点1.霍尔效应原理；2.对称交换测量法排除负效应产生的系统误差；3.用霍尔元件测量磁场的原理和方法；教学难点1.霍尔效应的产生气理 2.怎样排除影响测量精确性的附加效应 课 型：提高性试验（ 2 学时）教学方法：讲解教学内容,
2、明确其重点和难点,然后实际演示操作要点课 件：PPT 教学手段名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载同学操作, 随堂检查操作情形； 依据同学的操作情形将简单犯错的问题做重点提 示,同学可以依据操作中遇到的详细问题个别提问；教学过程【课前的预备】：1.仪器设备的检查,留意要校零；2.试验的预做（采集三组以上数据进行处理）；3.作出数据表格设计的参考；【课上的常规检查】预习报告、数据表格的设计等 1 引言 1879 年,24 岁的美国物理学家霍耳 （E.H.Hall ）在讨论载流导体在磁场中所 受力的性质时
3、, 发觉了一种电磁效应, 即假如在电流的垂直方向加上磁场,就在与电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场；这一效应称为霍耳效应； 由于这种效应对一般材料而言很不明显,因而长期未得到实际应用；金属和电解质的 霍尔系数很小 , 霍尔效应不显著 ; 半导体的霍尔系数就大得多 , 霍尔效应显著 . 20 世纪 50 岁月以来,随着半导体工艺和材料的进展,先后制成了有显著霍耳效应 的材料,如 N 型锗、锑化铟、磷砷化铟等,对这一效应实际应用的讨论随之增 加,其中比较突出的是用它来测量磁场；霍耳元件是一种利用霍耳效应通过把磁信号形式转变为电信号形式以实现 信号检测的半导体器件；具有响应快、工作频率高、功耗低
4、等特点；半导体霍耳元件在磁测量中应用广泛, 用霍耳元件作探头制成的磁场测量仪器,其测量范畴宽、精度高,且频率响应宽；既可测大范畴的匀称场,也可测不匀称场或某点的磁场；现在通用的特斯拉计高斯计 ,其探头就是霍耳元件；通过讨论霍耳效应仍可测得霍耳系数,由此能判定材料的导电类型、 载流子浓度及载流子迁移率等重要参数, 因此霍耳效应也是讨论半导体材料的一个重要名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载试验；2 试验原理一、霍尔效应原理如将通有电流的导体置于磁场 B 之中,磁场 B （沿 z 轴）垂直于电流 I （沿
5、x 轴）的方向,如下列图,就在导体中垂直于 B 和 I 的方向上显现一个横向电势差 U H,这个现象称为霍尔效应；A yC-+b I S EH xFB + + + +z ACd这一效应对金属来说并不显著,但对半导体特别显著； 利用霍尔效应可以测定载流子浓度、 载流子迁移率等重要参数, 是判定材料的导电类型和讨论半导体 材料的重要手段；仍可以用霍尔效应测量直流或沟通电路中的电流强度和功率,以及把直流电流转成沟通电流并对它进行调制、广泛用于磁场、位置、位移、转速的测量；放大；用霍尔效应制作的传感器霍尔电势差产生的本质,是当电流I 通过霍尔元件（假设为P 型,即导电的载流子是空穴；）时,空穴有肯定的
6、漂移速度 洛仑兹力v,垂直磁场对运动电荷产生一个FBqvB（1）式中 q 为载流子电荷；洛沦兹力使载流子产生横向的偏转,由于样品有边界,所以有些偏转的载流子将在边界积存起来,产生一个横向电场 E,直到电场对载流子的作用力 F E=qE 与磁场作用的洛沦兹力相抵消为止,即名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - qv学习必备q E欢迎下载（2）B这时载流子在样品中流淌时将不偏转地通过霍尔元件,场建立起来的；霍尔电势差就是由这个电假如是 N 型样品,即导电的载流子是电子, 就横向电场与前者相反, 所以 N型样品和 P 型样品的霍
7、尔电势差有不同的符号,型；据此可以判定霍尔元件的导电类设 P 型样品的载流子浓度为n,宽度为 b ,厚度为 d ；通过样品电流I Snevbd,（3）就空穴的速度vIS,代入（ 2）式有nebdEvBI SBn e b d上式两边各乘以 b ,便得到霍尔电压VHEbI BRHI B（4）neddV （ A 、 A 之间电压）与I 、 B 的乘积成正比,与霍尔元件的厚度 d 成反比,比例系数 参数；在应用中一般写成R ,称为霍尔系数；它是反映材料霍尔效应强弱的重要RHV d1（5）I BneVHKHI B（6）名师归纳总结 比例系数KHRHH1,称为霍尔元件灵敏度,单位为mV/mA T；一第 4
8、 页,共 9 页ISned般要求KH愈大愈好；K与载流子浓度 n 成反比,半导体内载流子浓度远比金属- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载KH与片厚 d 成反比,所以载流子浓度小,所以选用半导体材料作为霍尔元件；霍尔元件都做的很薄,一般只有 0.2mm 厚；由（ 4）式可以看出,知道了磁感应强度 B ,只要分别测出传导电流 I 及霍尔电势差 V ,就可算出霍尔系数 R 和霍尔元件灵敏度 K H；二、由 R H 确定以下参数（1）由 R 的符号（或霍尔电压的正负）判定样品的导电类型；判定的方法是按图所示的 I 和 B 的方向,如测得的 V 0
9、,（即电流流入端电势高于流出端的电势）,就 R H 为正,样品属 P 型,反之就为 N 型；（2）由 R 求载流子浓度 n ,即 n 1；应当指出,这个关系是假定全部R H e载流子都具有相同的漂移速度得到的 （严格一点,应考虑载流子的速度统计分布,在如磁场下应引入一个修正因子 3）；8（3）结合电导率的测量,求载流子的迁移率 ；电导率 可以通过图 6-1 所示的 A 、C（或 A 、C ）电极进行测量； 设 A 、C 间的距离为 L,样品的横截面积为 S bd,流过样品的电流为 I ；在零磁场下,如测得 A 、 C 间的电压为 U （ 即 U AC）,可由下式求得 ；I L（6-7）V S依
10、据材料的电导率 ne 关系,即 R H ,或者 R H ,测出 值即可求 ；式中 为载流子的迁移率,即单位电场下载流子的运动速度；一般电子名师归纳总结 的迁移率比空穴迁移率大,所以霍尔元件多采纳N 型材料；第 5 页,共 9 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载三、霍耳元件副效应的影响及其排除 1霍耳元件的副效应 在 研 究 固 体 导 电 过 程 中 , 继 霍 耳 效 应 之 后 不 久 又 发 现 了 厄 廷 豪 森（Etinghausen ）、能斯特（ Nernst ）和里纪勒杜克（ Righi-Ledue ）效应,它 们都归
11、属于热磁效应；（1）厄廷豪森效应 1887 年厄廷豪森发觉,由于载流子的速度不相等,它们在磁场的作用下,这样 速度大的受到洛仑兹力大, 绕大圆轨道运动； 速度小的就绕小圆轨道运动,导致霍耳元件的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯度；因而 产生温差电效应,形成电势差,记为 U ；其方向打算于 I H 和磁场 B 的方向,并 可判定 V 与 V 始终同向（2）能斯特效应由于输入电流端引线的焊接点a、b 处的电阻不相等,通电后发热程度不同,使 a 和 b 两端之间存在温度差, 于是在 a 和 b 之间显现热扩散电流； 在磁场的作 用下,在 c、e 两端显现了横向电场,由此产生附加电势差
12、,记为 V ；其方向与HI 无关,只随磁场方向而变；（3）里纪勒杜克效应由于热扩散电流的载流子的迁移率不同,类似于厄廷豪森效应中载流子速度不同一样,也将形成一个横向的温度梯度,以产生附加电势差,记为VRL；其方向只与磁场方向有关,且与V 同向；2不等势电势差不等势电势差是由于霍耳元件的材料本身不匀称,作时不行能肯定对称地焊接在霍耳片的两侧所引起的,以及电压输入端引线在制 如下列图； 因此,当电流名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - HI流过霍耳元件时,在电极学习必备欢迎下载V ,其方向只随HI方3、4 之间也具有电势差,
13、记为向不同而转变,与磁场方向无关；3副效应的排除依据以上副效应产生的机理和特点,除 其影响,因V 外,其余的都可利用异号法排除名师归纳总结 图 2 能斯特效应图 3 不等势电势差第 7 页,共 9 页而需要分别转变HI和 B 的方向,测量四组不同的电势差,然后作适当的数据处理,而得到V ；取B 、IH测得V 1VHVEVNVRLV 0取B 、IH测得V 2V HVEVNVRLV 0取B 、IH测得V 3VHVEVNVRLV 0取B 、IH测得- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - V 4学习必备E欢迎下载RLV0V HVVNV消去V 、VRL和V 得V2V
14、3V4VE（7）VH1 V 14因V EV ,一般可忽视不计,所以V 1V 2V 3V 4V H1 4本试验要利用霍尔效应测量长直螺线管轴线上的磁感应强度；3 试验仪器 TH-H 霍尔效应试验仪 磁场测试仪 4 试验内容与步骤 1.连接测试仪与试验仪各组之间的连线（1）开关机前,测试仪的“IS 调剂” 和“IM 调剂” 旋钮均置零位（即逆时针旋究竟）；（2）连接测试仪和试验仪之间各组的连线；2 测量霍尔电压与霍尔电流的关系 3 测量砷化镓霍尔元件的灵敏度 4 测量电磁铁气隙中心处磁感应强度 5 测量磁感应强度在电磁铁气隙内的分布【试验数据记录与处理】略名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载5 留意事项1. 霍耳元件质脆、引线易断,试验时要留意不要碰触或振动霍耳探头 （霍耳元件）；2. 霍尔元件通过的电流不得超过5A,励磁电流不得超过500mA,电磁铁磁化线圈通电时间不宜过长,否就线圈易发热,影响试验结果；3. 螺线管励磁电流额定值为 开电源；1A,为防止过热和节省用电,在不测量时应立刻断4. 测电磁铁间隙时,边缘位置假如达不到可不测,禁止强行转动旋钮；5. 拨动开关要到位,以免引起接触不良,造成示数不正常转变；教学后记名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 9 页