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实验内容

霍尔效应实验
2013-11-19 13:45  

一、实验目的

1、了解霍尔效应原理与霍尔元件的应用机理。

2、测绘霍尔元件的VH-IS曲线,了解霍尔电势差VH与霍尔元件工作电流IS的关系。

3、结合VH-IS线性曲线的斜率计算霍尔元件的灵敏度KH

二、实验仪器

DH4501B亥姆霍兹线圈磁场实验仪、DH4501B亥姆霍兹线圈磁场实验仪测试架。

三、实验原理

霍尔效应从本质上讲,是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积,从而形成附加的横向电场。磁场B位于Z的正向,与之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is(称为工作电流),假设载流子为电子(N型半导体材料),它沿着与电流Is相反的X负向运动。由于洛仑兹力fL作用,电子即向图中箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转,并使B侧形成电子积累,而相对的A侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力fE的作用。随着电荷积累的增加,fE增大,当两力大小相等(方向相反)时,fL=-fE,则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之间建立的电场称为霍尔电场EH,相应的电势差称为霍尔电势VH

设电子按均一速度,向图示的X负方向运动,在磁场B作用下,所受洛仑兹力为:

fL=-eB

式中:e为电子电量,为电子漂移平均速度,B为磁感应强度。

同时,电场作用于电子的力为:

fEl

式中:EH为霍尔电场强度,VH为霍尔电势,l为霍尔元件宽度

当达到动态平衡时:

fL=-fE B=VH/l      (1)

设霍尔元件宽度为,厚度为d,载流子浓度为n,则则霍尔元件的工作电流为

                                                    (2)

由(1)、(2)两式可得:

           (3)

即霍尔电压VH (A、B间电压)与Is、B的乘积成正比,与霍尔元件的厚度成反比,比例系数称为霍尔系数,它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数,根据材料的电导率的关系,还可以得到:

(4)

式中:为载流子的迁移率,即单位电场下载流子的运动速度,一般电子迁移率大于空穴迁移率,因此制作霍尔元件时大多采用N型半导体材料。

当霍尔元件的材料和厚度确定时,设:

         (5)

将式(5)代入式(3)中得:

            (6)

式中:称为元件的灵敏度,它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍尔电势大小。

四、实验内容

1. 测量不等位电压V01(>0),V02(<0)。

2. 测绘VH-IS曲线,并图示。验证VH-IS线性关系。

3. 测量霍尔电压VH与工作电流Is的关系

4. 结合VH-IS线性曲线的斜率计算霍尔元件的灵敏度KH

五、实验注意事项

测量霍尔电势VH时,不可避免的会产生一些副效应,如不等位电势、爱廷豪森效应、伦斯脱效应和里纪-杜勒克效应,由此而产生的附加电势叠加在霍尔电势上,形成测量系统误差。为了减少和消除以上效应的附加电势差,利用这些附加电势差与霍尔元件工作电流Is,磁场B(即相应的励磁电流IM)的关系,采用对称(交换)测量法进行测量。

当+IS,+IM时 VAB1=+VH+V0+VE+VN+VR

当+IS,-IM时 VAB2=-VH+V0-VE+VN+VR

当-IS,-IM时 VAB3=+VH-V0+VE-VN-VR

当-IS,+IM时 VAB4=-VH-V0-VE-VN-VR

(VAB1-VAB2+VAB3-VAB4)/4=(|VAB1|+|VAB2|+|VAB3|+|VAB4|)/4

即用四组测量值的绝对值之和求平均值即可。

五、思考题

1、 用霍尔传感器测量载流线圈磁感应强度比探测线圈有何优点?霍尔传感器能否测量交流磁场?

2、用霍尔传感器测量磁场时,如何确定磁感应强度方向。

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