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实验五用霍耳元件测量磁场
一、实验目的
。
。
二、实验仪器
霍尔效应实验仪。
三、实验原理
1、什么叫做霍耳效应?
4
2
B
d
IH
1
3
+
v
FB
FE
b
若将通有电流的导体置于磁场B之中,磁场B(沿z轴)垂直于电流IH(沿x轴)的方向,如图1所示,则在导体中垂直于B和IH的方向上出现一个横向电位差UH,这个现象称为霍耳效应。
图1 霍耳效应原理
这一效应对金属来说并不显著,但对半导体非常显著。霍耳效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数,以及判断材料的导电类型,是研究半导体材料的重要手段。还可以用霍耳效应测量直流或交流电路中的电流强度和功率以及把直流电流转成交流电流并对它进行调制、放大。用霍耳效应制作的传感器广泛用于磁场、位置、位移、转速的测量。
(1)用什么原理来解释霍耳效应产生的机理?
霍耳电势差是这样产生的:当电流IH通过霍耳元件(假设为P型)时,空穴有一定的漂移速度v,垂直磁场对运动电荷产生一个洛沦兹力
(1)
式中q为电子电荷。洛沦兹力使电荷产生横向的偏转,由于样品有边界,所以有些偏转的载流子将在边界积累起来,产生一个横向电场E,直到电场对载流子的作用力FE=qE与磁场作用的洛沦兹力相抵消为止,即
(2)
这时电荷在样品中流动时将不再偏转,霍耳电势差就是由这个电场建立起来的。
如果是N型样品,则横向电场与前者相反,所以N型样品和P型样品的霍耳电势差有不同的符号,据此可以判断霍耳元件的导电类型。
(2)如何用霍耳效应侧磁场?
设P型样品的载流子浓度为p,宽度为b,厚度为d。通过样品电流IH=pqvbd,则空穴的速度v=IH/pqvbd,代入(2)式有
(3)
上式两边各乘以b,便得到
(4)
称为霍耳系数。在应用中一般写成
UH=KHIHB. (5)
比例系数KH=RH/d=1/pqd称为霍耳元件灵敏度,单位为mV/(mA·T)。一般要求KH愈大愈好。KH与载流子浓度p成反比。半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小,所以都用半导体材料作为霍耳元件。KH与片厚d成反比,所以霍耳元件都做的很薄,。
由(5)式可以看出,知道了霍耳片的灵敏度KH,只要分别测出霍耳电流IH及霍耳电势差UH就可算出磁场B的大小。这就是霍耳效应测磁场的原理。
2、如何消除霍耳元件副效应的影响?
在实际测量过程中,还会伴随一些热磁副效应,它使所测得的电压不只是UH,还会附加另外一些电压,给测量带来误差。
这些热磁效应有埃廷斯豪森效应,是由于在霍耳片两端有温度差,从而产生温差电动势UE,它与霍耳电流IH、磁场B方向有关;能斯特效应,是由于当热流通过霍耳片(如1,2端)在其两侧(3,4端)会有电动势UN产生,只与磁场B和热流有关;里吉-勒迪克效应,是当热流通过霍耳片时两侧会有温度差产生,从而又产生温差电动势UR,它同样与磁场B及热流有关。
除了这些热磁副效应外还有不等位电势差U0,它是由于两侧(3,4端)的电极不在同一等势面上引起的,当霍耳电流通过1,2端时,即使不加磁场,3和4端也会有电势差U0产生,其方向随电流IH方向而改变。
因此,为了消除副效应的影响,在操作时我们要分