霍尔效应测磁场实验报告(共7篇)Word文件下载.doc
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教学重难点:
1.霍尔效应
2.霍尔片载流子类型判定。
实验原理
如右图所示,把一长方形半导体薄片放入磁场中,
其平面与磁场垂直,薄片的四个侧面分别引出两对电极(m、n和p、s),径电极m、n通以直流电流ih,则在p、s极所在侧面产生电势差,这一现象称为霍尔效应。
这电势差叫做霍尔电势差,这样的小薄片就是霍尔片。
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假设霍尔片是由n型半导体材料制成的,其载流子为电子,在电极m、n上通过的电流由m极进入,n极出来(如图),则片中载流子(电子)的运动方向与电流is的方向相反为v,运动的载流子在磁场b中要受到洛仑兹力fb的作用,fb=ev×
b,电子在fb的作用下,在由n→m运动的过程中,同时要向s极所在的侧面偏转(即向下方偏转),结果使下侧面积聚电子而带负电,相应的上侧面积(p极所在侧面)带正电,在上下两侧面之间就形成电势差vh,即霍尔电势差。
薄片中电子在受到fb作用的同时,要受到霍尔电压产生的霍尔电场eh的作用。
fh的方向与fb的方向正好相反,eh=vh/b,b是上下侧面之间的距离即薄片的宽度,当fh+fb=0时,电子受力为零达到稳定状态,则有
–eeh+(–ev×
b)=0
eh=-v×
b
因v垂直b,故eh=vb(v是载流子的平均速度)霍尔电压为vh=beh=bvb。
设薄片中电子浓度为n,则
is=nedbv,v=is/nedb。
vh=isb/ned=khisb
式中比例系数kh=1/ned,称为霍尔元件的灵敏度。
将vh=khisb改写得b=vh/khis
如果我们知道了霍尔电流ih,霍尔电压vh的大小和霍尔元件的灵敏度kh,我们就可以算出磁感应强度b。
实际测量时所测得的电压不只是vh,还包括其他因素带来的附加电压。
根据其产生的原因及特点,测量时可用改变is和b的方向的方法,抵消某些因素的影响。
例如测量时首先任取某一方向的is和b为正,当改变它们的方向时为负,保持is、b的数值不变,取(is+,b+)、(is-、b+)、(is+、b-)、(is-,b-)四种条件进行测量,测量结果分别为:
v1=vh+v0+ve+vn+vrlv2=-vh-v0-ve+vn+vrlv3=-vh+v0-ve-vn-vrlv4=vh-v0+ve-vn-vrl
从上述结果中消去v0,vn和vrl,得到
vh=(v1-v2-v3+v4)-ve
一般地ve比vh小得多,在误差范围内可以忽略不计。
实验仪器th-s型螺线管磁场测定实验组合仪。
1.实验仪介绍
如图所示,探杆固定在二维(x,y方向)调节支架上。
其中y方向调节支架通过旋钮y调节探杆中心轴线与螺线管内孔轴线位置,应使之重合。
x方向调节支架通过旋钮x1,x2来调节探杆的轴向位置,其位置可通过标尺读出。
2.测试仪
1.“is输出”:
霍尔器件工作电流源,输出电流0~10ma,通过“is调节”旋钮调节。
2.“im输出”:
螺线管励磁电流源,输出电流0~1a,通过“im调节”旋钮调节。
上述俩组恒流源读数可通过“测量选择”按键共用一只数字电流表“is(ma).im(a)“显
1
4
示,按键测im,放键测is。
3.直流数字电压表“vh.vo(mv)”,供测量霍尔电压用。
实验步骤
1.按图接好电路,k1、k2、k3都断开,注意is和im不可接反,将is和im调节旋钮逆时针方向旋到底,使其输入电流趋于最小状态。
2.转动霍尔器件探杆支架的旋钮x1或x2,慢慢将霍尔器件移到螺线管的中心位置(x1=14cm,x2=0)(注:
以相距螺线管两端口等远的中心位置为坐标原点,则探头离中心的距离为x=14-x1-x2)k3,调节im=0.800a并在测试过程终保持不变,弹出“测量选择”按钮,依次按表1调节is,测出相应的v1,v2,v3,v4,绘制vh-is曲线。
3.调节is=8.00ma并在测试过程终保持不变,按下“测量选择”按钮,依次按表2调节im测出相应的v1,v2,v3,v4,绘制vh-im曲线(注:
改变im时要快,每测好一组数据断开闸刀开关k3后再记录数据,避免螺线管发热)。
4.调节is=8.00ma,im=0.800a,x1=0,x2=0依次按表3调节x1,x2测出相应的v1,v2,v3,v4,记录kh和n,绘制b-x曲线,验证螺线管端口的磁感应强度为中心位置的1/2(注:
调节探头位置时应将闸刀开关k1,k3断开).
5.将将is和im调到最小,断开三个闸刀开关,关闭电源拆线收拾仪器。
实验数据记录与处理示例
1.表1im=0.800a
2.表2is=8.00ma
霍尔电压与霍尔电流的关系曲线霍尔电压与励磁电流的关系曲线
从图上可以清楚看到霍尔电压与霍尔电流,励磁电流之间成线性关系。
3.表3is=8.00maim=0.800ax=14-x1-x2
螺线管中心磁感应强度理论值:
n=109.7×
102/mkh=2.10mv/ma·
kgs
b0?
?
0nim?
4?
10?
7?
109.7?
102?
0.800?
0.01103(t)?
0.110(kgs)
实验值:
b?
0.109(kgs)相对误差:
e?
b00.109?
0.110
100%?
0.9%b00.110
螺线管轴线磁感应强度分布曲线
4.霍尔片载流子类型的判断
不同载流子类型的霍尔片在相同条件下,产生的电动势在方向上会有差异。
霍尔片位置及螺线管线圈绕向如图所示,实验中霍尔电流,励磁电流和霍尔电压极性如下表:
即:
霍尔电流从1→2沿x轴正向,磁场沿z轴正向.若霍尔片为n型,则3端输出为“+”;
若霍尔片为p型,则3端输出为“-”
从上述分析可知:
实验材料为p型,载流子为空穴。
实验注意事项
1.接线时k1、k2、k3都断开,注意is和im不可接反。
2.开机前,将is和im调节旋钮逆时针方向旋到底,使其输入电流趋于最小状态。
3.关机前,将is和im调节旋钮逆时针方向旋到底,使其输入电流趋于最小状态。
4.x方向调节旋钮x1,x2在使用时要轻,严禁鲁莽操作。
5.调节探头位置时应将闸刀开关k1,k3断开,避免霍尔片和螺线管长期通电发热。
6.实验中产生的副效应及其消除方法
下面首先分析其产生的原因及特点,然后探讨其消除方法。
(1).不等势电压
由横向电极位置不对称而产生的电压降v0,它与外磁场b无关,仅与工作电流is的方向有关。
(2).爱廷豪森效应
从微观来看,当霍耳电压达到一个稳定值vh时,速度为v的载流子的运动达到动态平衡。
但从统计的观点看,元件中速度大于v和小于v的载流子也有。
因速度大的载流子所受的洛仑兹力大于电场力,而速度小的载流子所受的洛仑兹力小于电场力,因而速度大的载流子会聚集在元件的一侧,而速度小的载流子聚集在另一侧,又因速度大的载流子的能量大,所以有快速粒子聚集的一侧温度高于另一侧。
这种由于温差而产生电压的现象称为爱廷豪森效应。
该电压用
ve表示,它不仅与外磁场b有关,还与电流is有关。
(3).能斯脱效应
在元件上接出引线时,不可能做到接触电阻完全相同。
当电流is通过不同接触电阻时会产生不同的焦耳热,并因温差产生一个附加电压vn,这就是能斯脱效应。
它与电流is无关,只与外磁场b有关。
(4).里记-勒杜克效应
由能斯脱效应产生的电流也有爱廷豪森效应,由此而产生附加电压vrl,称为里记-勒杜克效应。
vrl与is无关,只与外磁场b有关。
因此,在确定磁场b和工作电流is的条件下,实际测量的电压包括vh,v0,ve,
vn,vrl5个电压的代数和。
测量时可用改变is和b的方向的方法,抵消某些因素的影响。
例如测量时首先任取某一方向的is和b为正,用is+、b+表示,当改变它们的方向时为负,用is-、b-表示,保持is、b的数值不变,取(is+,b+)、(is-、
b+)、(is+、b-)、(is-,b-)四种条件进行测量,测量结果分别为:
v1=vh+v0+ve+vn+vrlv2=-vh-v0-ve+vn+vrlv3=-vh+v0-ve-vn-vrlv4=vh-v0+ve-vn-vrl
从上述结果中消去v0,vn和vrl,得到一般地ve比vh小得多,在误差范围内可以忽略不计。
h=1
(v1-v2-v3+v4)-vev
篇二:
物理实验报告3_利用霍尔效应测磁场
实验名称:
利用霍耳效应测磁场
实验目的:
a.了解产生霍耳效应的物理过程;
b.学习用霍尔器件测量长直螺线管的轴向磁场分布;
c.学习用“对称测量法”消除负效应的影响,测量试样的vh?
is和vh?
im曲线;
d.确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
实验仪器:
th-h型霍尔效应实验组合仪等。
实验原理和方法:
1.用霍尔器件测量磁场的工作原理
如下图所示,一块切成矩形的半导体薄片长为l、宽为b、厚为d,置于磁场中。
磁场b垂直于薄片平面。
若沿着薄片长的方向有电流i通过,则在侧面a和b间产生电位差
vh?
va?
vb。
此电位差称为霍尔电压。
半导体片中的电子都处于一定的能带之中,但能参与导电的只是导带中的电子和价带中的空穴,它们被称为载流子。
对于n型半导体片来说,多数载流子为电子;
在p型半导体中,多数载流子被称为空穴。
再研究半导体的特性时,有事可以忽略少数载流子的影响。
霍尔效应是由运动电荷在磁场中收到洛仑兹力的作用而产生的。
以n型半导体构成的霍尔元件为例,多数载流子为电子,设电子的运动速度为v,则它在磁场中收到的磁场力即洛仑兹力为
fm?
ev?
f的方向垂直于v和b构成的平面,并遵守右手螺旋法则,上式表明洛仑兹力f的方向与电荷的正负有关。
自由电子在磁场作用下发生定向便宜,薄片两侧面分别出现了正负电荷的积聚,以两个
侧面有了电位差。
同时,由于两侧面之间的电位差的存在,由此而产生静电场,若其电场强度为ex,则电子又受到一个静电力作用,其大小为
fe?
eex
电子所受的静电力与洛仑兹力相反。
当两个力的大小相等时,达到一种平衡即霍
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