磁场测定(霍尔效应法)汇总.doc

霍尔效应及其应用实验(FB510A型霍尔效应组合实验仪)(亥姆霍兹线圈、螺线管线圈) 实验讲义长春禹衡时代光电科技有限公司实验一霍尔效应及其应用置于磁场中的载流体,如果电流方向与磁场垂直,则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场,这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的,后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段,而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天,作为敏感元件之一的霍尔器件,将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验,对日后的工作将有益处。【实验目的】。“对称测量法”消除副效应的影响,测量试样的和曲线。。【实验原理】:霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横向电场,即霍尔电场。如图1所示的半导体试样,若在方向通以电流,在方向加磁场,则在方向即试样电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图1(a)所示的N型试样,霍尔电场逆方向,(b)的型试样则沿方向。即有显然,霍尔电场是阻止载流子继续向侧面偏移,当载流子所受的横向电场力与洛仑兹力相等,样品两侧电荷的积累就达到动态平衡,故有(1)其中为霍尔电场,是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为,厚度为,载流子浓度为,则(2)由(1)、(2)两式可得:(3) 即霍尔电压(、/电极之间的电压)与乘积成正比与试样厚度成反比。比例系数称为霍尔系数,它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出(伏)以及知道(安)、(高斯)和(厘米)可按下式计算(厘米3/库仑):(4)上式中的是由于磁感应强度用电磁单位()而其它各量均采用实用单位而引入。:根据可进一步确定以下参数:(1)由的符号(或霍尔电压的正负)判断样品的导电类型。判别的方法是按图1所示的和的方向,若测得的即点点电位高于点的电位,则为负,样品属型;反之则为型。(2)由求载流子浓度。即。应该指出,这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的,严格一点,如果考虑载流子的速度统计分布,需引入的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》)。: 根据上述可知,要得到大的霍尔电压,关键是要选择霍尔系数大(即迁移率高、电阻率亦较高)的材料。因,就金属导体而言,和均很低,而不良导体虽高,但极小,因而上述两种材料的霍尔系数都很小,不能用来制造霍尔器件。半导体高,适中,是制造霍尔元件较理想的材料,由于电子的迁移率比空穴迁移率大,所于霍尔元件多采用型材料,其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比,因此薄膜型的霍尔元件的输出电压较片状要高得多。就霍尔器件而言,其厚度是一定的,所以实用上采用来表示器件的灵敏度,称为霍尔灵敏度,单位为。:(1)霍尔电压的测量方法:值得注意的是,在产生霍尔效应的同时,因伴随着各种副效应,以致实验测得的、两极间的电压并不等于真实的霍尔电压值,而是包含着各种副效应所引起的附加电压,因此必须设法消除。根据副效应产生的机理可知,采用电流和磁场换向的对称测量法,基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。即在规定了电流和磁场正、反方向后,分别测量由下列四组不同方向的和组合的(、两点的电位差)即:然后求、、和的代数平均值:(6)采用上述的测量方法,虽然还不能完全消除所有的副效应,但由于其引入的误差不大,可以忽略不计。【实验仪器】A型霍尔效应组合实验仪由测试仪(通用仪器)1台、测试架1台组成。下图为该产品实体图。图2A型霍尔效应组合实验仪【实验内容】,测量亥姆霍兹线圈磁场:(1)开机或关机前,应该将测试仪的“调节”和“调节”旋钮逆时针旋到底。(2)按【附录】中的说明,连接测试仪与测试架之间各组对应连接线。把励磁电流连接到亥姆霍兹线圈输入端,松开“实验功能转换”按钮开关,使仪器测量功能转换到亥姆霍兹线圈磁场测量,相应的指示灯亮。霍尔传感器在线圈的中心位置应是:水平移动指示尺及上下移动指示尺位置均指在“0”处。注意:①霍尔传感器各电极引线与对应的电流换向开关(本实验仪器采用按钮开关控制的继电器)的连线已由制造厂家连接好,实验时不必自己连接。②霍尔片性脆易碎,电极甚细易断,严防撞击或用手去摸,否则容易损坏!霍尔片放置在亥姆霍兹线圈中间,在需要调节霍尔片位置时,亦需要小心谨慎。③二维(或一维)移动尺在调节时应缓慢,不能用力过度,否则容易损坏其传动机构。(3)