霍爾元件測磁場實驗報告

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1、用霍爾元件測磁場前言：霍耳效應是德國物理學家霍耳（A.H.Hall1855—1938）于1879年在他的導師羅蘭指導下發(fā)現(xiàn)的。由于這種效應對一般的材料來講很不明顯，因而長期未得到實際應用。六十年代以來，隨著半導體工藝和材料的發(fā)展，這一效應才在科學實驗和工程技術中得到了廣泛應用。利用半導體材料制成的霍耳元件，特別是測量元件，廣泛應用于工業(yè)自動化和電子技術等方面。由于霍耳元件的面積可以做得很小，所以可用它測量某點或縫隙中的磁場。此外，還可以利用這一效應來測量半導體中的載流子濃度及判別半導體的類型等。近年來霍耳效應

2、得到了重要發(fā)展，馮﹒克利青在極強磁場和極低溫度下觀察到了量子霍耳效應，它的應用大大提高了有關基本常數(shù)測量的準確性。在工業(yè)生產要求自動檢測和控制的今天，作為敏感元件之一的霍耳器件，會有更廣闊的應用前景。了解這一富有實用性的實驗，對今后的工作將大有益處。教學目的：1.了解霍爾效應產生的機理，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.學習用霍爾器件測繪長直螺線管的軸向磁場分布。教學重難點：1.霍爾效應2.霍爾片載流子類型判定。實驗原理如右圖所示，把一長方形半導體薄片放入磁場中，其平面與

3、磁場垂直，薄片的四個側面分別引出兩對電極（M、N和P、S），徑電極M、N通以直流電流IH，則在P、S極所在側面產生電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應。這電勢差叫做霍爾電勢差，這樣的小薄片就是霍爾片。假設霍爾片是由n型半導體材料制成的，其載流子為電子，在電極M、N上通過的電流由M極進入，N極出來（如圖），則片中載流子（電子）的運動方向與電流IS的方向相反為v,運動的載流子在磁場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運動的過程中，同時要向S極所在的側面偏轉（即向下方偏轉），結果使下

4、側面積聚電子而帶負電，相應的上側面積（P極所在側面）帶正電，在上下兩側面之間就形成電勢差VH，即霍爾電勢差。薄片中電子在受到fB作用的同時，要受到霍爾電壓產生的霍爾電場EH的作用。fH的方向與fB的方向正好相反，EH=VH/b,b是上下側面之間的距離即薄片的寬度，當fH+fB=0時，電子受力為零達到穩(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。設薄片中電子濃度為n，則IS=nedb,=IS/nedb。VH=ISB/ned=KH

5、ISB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強度B。實際測量時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)其產生的原因及特點，測量時可用改變IS和B的方向的方法，抵消某些因素的影響。例如測量時首先任取某一方向的IS和B為正，當改變它們的方向時為負，保持IS、B的數(shù)值不變，?。↖S+，B+）、（IS-、B+）、（IS+、B-）、（IS-，B-）四種條件進

6、行測量，測量結果分別為：V1=VH+V0+VE+VN+VRLV2=-VH-V0-VE+VN+VRLV3=-VH+V0-VE-VN-VRLV4=VH-V0+VE-VN-VRL從上述結果中消去V0，VN和VRL，得到VH=（V1-V2-V3+V4）-VE一般地VE比VH小得多，在誤差范圍內可以忽略不計。實驗儀器TH-S型螺線管磁場測定實驗組合儀。1.實驗儀介紹如圖所示，探桿固定在二維（X,Y方向）調節(jié)支架上。其中Y方向調節(jié)支架通過旋鈕Y調節(jié)探桿中心軸線與螺線管內孔軸線位置，應使之重合。X方向調節(jié)支架通過旋鈕X1,

7、X2來調節(jié)探桿的軸向位置,其位置可通過標尺讀出。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0～10mA，通過“Is調節(jié)”旋鈕調節(jié)。2.“IM輸出”：螺線管勵磁電流源，輸出電流0～1A，通過“IM調節(jié)”旋鈕調節(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。實驗步驟1.按圖接好電路，K1、K2、K3都斷開，注意I

8、s和Im不可接反,將Is和Im調節(jié)旋鈕逆時針方向旋到底，使其輸入電流趨于最小狀態(tài)。2.轉動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：以相距螺線管兩端口等遠的中心位置為坐標原點，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K3,調節(jié)Im=0.800A并在測試過程終保持不變,彈出“測量選擇”按鈕