霍尔效应大学物理实验.ppt

霍尔效应及磁场的测量
太原理工大学理学院物理与光电工程系
物理实验中心
Edwin Hall(1855~1938)
霍尔效应是霍尔(Hall)24岁时在美国霍普金斯大学研究生期间,研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种现象。
在长方形导体薄板上通以电流,沿电流的垂直方向施加磁场,就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差,这种现象称为霍尔效应,所产生的电势差称为霍尔电压。
背景介绍
霍尔效应
量子霍尔效应
长时期以来,霍尔效应是在室温和中等强度磁场条件下进行实验的。1980年,德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)发现在低温条件下半导体硅的霍尔效应不是常规的那种直线,而是随着磁场强度呈跳跃性的变化,这种跳跃的阶梯大小由被整数除的基本物理常数所决定。
这在后来被称为整数量子霍尔效应。由于这个发现,克利青在1985年获得了诺贝尔物理奖。
背景介绍
分数量子霍尔效应
高纯度半导体材料
超低温环境:仅比绝对零度高十分之一摄氏度(约-273℃)
超强磁场:当于地球磁场强度100万倍
背景介绍
崔琦
Robert Laughlin
Horst Stormer
构造出了分数量子霍尔系统的解析波函数
1998年的诺贝尔物理学奖
分数量子霍尔效应
实验原理
现象——霍尔效应
在长方形导体薄板上通以电流,沿电流的垂直方向施加磁场,就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差,这种现象称为霍尔效应,所产生的电势差称为霍尔电压。
理论分析
磁场中运动载流子受洛伦兹力作用
电荷聚集形成电场
电场力与洛伦兹力达到平衡,形成稳定电压UH
mA
-
B
mV
又考虑到(n为载流子浓度)
实验原理
即:
KH=1/(nqd)称为霍尔元件的灵敏度.
IS为流过霍尔元件的电流,即其工作电流.
——如果已知霍尔片的灵敏度KH,用仪器测出VH和IS即可求得磁感应强度的量值.
埃廷斯豪森效应
UE∝Ix·Bz
P型半导体
+
_
温度低
温度高
Jx
⊙
Bz
N型半导体
Ey
Jx
_
+
温度低
温度高
⊙
Bz
Ey
霍尔效应中的负效应
UE方向与I和B方向有关。
由于材料中载流子的速度不同,在磁场的作用下,载流子的偏转半径不同,从而在y轴方向产生温度梯度,由此温度梯度形成的温差电动势为埃廷斯豪森电压。
能斯特效应
沿x方向通以电流,两端电极与样品的接触电阻不同而产生不同的焦耳热,致使x方向产生温度梯度,这一温度梯度引起一附加的纵向热扩散电流,在磁场的作用下,从而在y轴方向产生附加电位差,为能斯特电压。
UN∝Qx·Bz
UN方向只与B方向有关。
霍尔效应中的负效应
里吉-勒迪克效应
纵向热扩散电流,在磁场的作用下,从而在y轴方向产生温差,这一温差又引起附加电位差,为里吉-勒迪克电压。
URL∝Qx·Bz
URL的方向只与B的方向有关。
霍尔效应中的负效应
不等位效应
U0=Ix·R0
制备霍尔样品时, y方向的测量电极很难做到处于理想的等位面上,即使在未加磁场时,在A、B两电极间也存在一个由于不等位电势引起的欧姆压降U0
U0的方向只与Ix的方向有关。
霍尔效应中的负效应