霍爾元件測磁場實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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1、用霍爾元件測磁場前言：霍耳效應(yīng)是德國物理學(xué)家霍耳（A.H.Hall1855—1938）于1879年在他的導(dǎo)師羅蘭指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)的。由于這種效應(yīng)對(duì)一般的材料來講很不明顯，因而長期未得到實(shí)際應(yīng)用。六十年代以來，隨著半導(dǎo)體工藝和材料的發(fā)展，這一效應(yīng)才在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。利用半導(dǎo)體材料制成的霍耳元件，特別是測量元件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化和電子技術(shù)等方面。由于霍耳元件的面積可以做得很小，所以可用它測量某點(diǎn)或縫隙中的磁場。此外，還可以利用這一效應(yīng)來測量半導(dǎo)體中的載流子濃度及判別半導(dǎo)體的類型等。近年來霍耳效應(yīng)得到了重要發(fā)展，馮﹒克利青在

2、極強(qiáng)磁場和極低溫度下觀察到了量子霍耳效應(yīng)，它的應(yīng)用大大提高了有關(guān)基本常數(shù)測量的準(zhǔn)確性。在工業(yè)生產(chǎn)要求自動(dòng)檢測和控制的今天，作為敏感元件之一的霍耳器件，會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。了解這一富有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)，對(duì)今后的工作將大有益處。教學(xué)目的：1.了解霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，掌握測試霍爾器件的工作特性。2.掌握用霍爾元件測量磁場的原理和方法。3.學(xué)習(xí)用霍爾器件測繪長直螺線管的軸向磁場分布。教學(xué)重難點(diǎn)：1.霍爾效應(yīng)2.霍爾片載流子類型判定。實(shí)驗(yàn)原理如右圖所示，把一長方形半導(dǎo)體薄片放入磁場中，其平面與磁場垂直，薄片的四個(gè)側(cè)面分別引出兩對(duì)電極（M、N和P、S

3、），徑電極M、N通以直流電流IH，則在P、S極所在側(cè)面產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。這電勢(shì)差叫做霍爾電勢(shì)差，這樣的小薄片就是霍爾片。假設(shè)霍爾片是由n型半導(dǎo)體材料制成的，其載流子為電子，在電極M、N上通過的電流由M極進(jìn)入，N極出來（如圖），則片中載流子（電子）的運(yùn)動(dòng)方向與電流IS的方向相反為v,運(yùn)動(dòng)的載流子在磁場B中要受到洛侖茲力fB的作用，fB=ev×B，電子在fB的作用下，在由N→M運(yùn)動(dòng)的過程中，同時(shí)要向S極所在的側(cè)面偏轉(zhuǎn)（即向下方偏轉(zhuǎn)），結(jié)果使下側(cè)面積聚電子而帶負(fù)電，相應(yīng)的上側(cè)面積（P極所在側(cè)面）帶正電，在上下兩側(cè)面之間就形成電

4、勢(shì)差VH，即霍爾電勢(shì)差。薄片中電子在受到fB作用的同時(shí)，要受到霍爾電壓產(chǎn)生的霍爾電場EH的作用。fH的方向與fB的方向正好相反，EH=VH/b,b是上下側(cè)面之間的距離即薄片的寬度，當(dāng)fH+fB=0時(shí)，電子受力為零達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，則有–eEH+(–ev×B)=0EH=-v×B因v垂直B，故EH=B（是載流子的平均速度）霍爾電壓為VH=bEH=bB。設(shè)薄片中電子濃度為n，則IS=nedb,=IS/nedb。VH=ISB/ned=KHISB式中比例系數(shù)KH=1/ned，稱為霍爾元件的靈敏度。將VH=KHISB改寫得B=VH/KHIS如果我們知道

5、了霍爾電流IH，霍爾電壓VH的大小和霍爾元件的靈敏度KH，我們就可以算出磁感應(yīng)強(qiáng)度B。實(shí)際測量時(shí)所測得的電壓不只是VH，還包括其他因素帶來的附加電壓。根據(jù)其產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)，測量時(shí)可用改變IS和B的方向的方法，抵消某些因素的影響。例如測量時(shí)首先任取某一方向的IS和B為正，當(dāng)改變它們的方向時(shí)為負(fù)，保持IS、B的數(shù)值不變，取（IS+，B+）、（IS-、B+）、（IS+、B-）、（IS-，B-）四種條件進(jìn)行測量，測量結(jié)果分別為：V1=VH+V0+VE+VN+VRLV2=-VH-V0-VE+VN+VRLV3=-VH+V0-VE-VN-VRLV4

6、=VH-V0+VE-VN-VRL從上述結(jié)果中消去V0，VN和VRL，得到VH=（V1-V2-V3+V4）-VE一般地VE比VH小得多，在誤差范圍內(nèi)可以忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)儀器TH-S型螺線管磁場測定實(shí)驗(yàn)組合儀。1.實(shí)驗(yàn)儀介紹如圖所示，探桿固定在二維（X,Y方向）調(diào)節(jié)支架上。其中Y方向調(diào)節(jié)支架通過旋鈕Y調(diào)節(jié)探桿中心軸線與螺線管內(nèi)孔軸線位置，應(yīng)使之重合。X方向調(diào)節(jié)支架通過旋鈕X1,X2來調(diào)節(jié)探桿的軸向位置,其位置可通過標(biāo)尺讀出。位置右端中心左端X1（cm）01414X2（cm）00142.測試儀1.“Is輸出”：霍爾器件工作電流源，輸出電流0～1

7、0mA，通過“Is調(diào)節(jié)”旋鈕調(diào)節(jié)。2.“IM輸出”：螺線管勵(lì)磁電流源，輸出電流0～1A，通過“IM調(diào)節(jié)”旋鈕調(diào)節(jié)。上述倆組恒流源讀數(shù)可通過“測量選擇”按鍵共用一只數(shù)字電流表“IS(mA).IM(A)“顯示，按鍵測IM，放鍵測IS。3.直流數(shù)字電壓表“VH.VO(mV)”，供測量霍爾電壓用。實(shí)驗(yàn)步驟1.按圖接好電路，K1、K2、K3都斷開，注意Is和Im不可接反,將Is和Im調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針方向旋到底，使其輸入電流趨于最小狀態(tài)。2.轉(zhuǎn)動(dòng)霍爾器件探桿支架的旋鈕X1或X2，慢慢將霍爾器件移到螺線管的中心位置(X1=14cm,X2=0)(注：以相

8、距螺線管兩端口等遠(yuǎn)的中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，則探頭離中心的距離為X=14-X1-X2)。打開測試儀電源，按下“測量選擇”按鈕，合上閘刀開關(guān)K3,調(diào)節(jié)Im=0.800A并在測試過程終保持不變,彈出“測量選擇”按鈕