霍尔元件测量磁场.doc

置于磁场中的载流导体,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。根据霍尔效应,人们用半导体材料制成霍尔元件,它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。利用它可以测量磁场;可以研究半导体中载流子的类别和特性等;也可以利用它制作传感器,用于磁读出头、隔离器,转速仪等。量子霍耳效应更是当代凝聚态物理领域最重要的发现之一,它在建立国际计量的自然基准方面也起了重要的作用。【实验目的】。。。,验证磁场叠加原理,验证亥姆霍兹线圈中央存在均匀磁场。【实验原理】(锗片或硅片等)放在磁感应强度大小为B的磁场中(B的方向沿z轴方向),。从薄片的四个侧面A、A’、D、D’上分别引出两对电极,沿纵向(即x轴正向)通以电流IH,则在薄片的两个横向面D、D’之间就会产生电势差,这种现象称为“霍耳效应”,产生的电势差称为霍耳电势差。根据霍耳效应制成的磁电变换元件称为霍耳元件。霍耳效应是由洛伦兹力引起的,当放在垂直于磁场方向的半导体薄片通以电流后,薄片内定向移动的载流子受到洛伦兹力FB:()式中,q、v分别是载流子的电荷和移动速度。载流子受力偏转的结果使电荷在D、D’两端面积聚而形成电场(,故FB沿y轴负方向),这个电场又给载流子一个与FB反设方向的电场力FE。设E表示电场强度,UDD’表示D、D’间的电势差,b表示薄片宽度,则()达到稳定状态时,电场力和洛伦兹力平衡,有即载流子的浓度用n表示,薄片厚度用d表示,则电流,故得()式中,称为霍耳系数,它表示材料的霍耳效应的大小。通常,()式写成如下形式:()比例系数称为霍耳元件的灵敏度,它的大小与材料的性质及薄片的尺寸有关,对一定的霍耳元件是一个常数,可用实验测定。由()式可以看出,如果知道了霍耳元件灵敏度KH,用仪器分别测出流过霍耳片的电流IH及相应的霍耳电压UDD’,就可算出磁感强度B的大小,这就是用霍耳效应测量磁场的原理。半导体材料有N型(电子型)和P型(空穴型)两种。前者的载流子为电子,带负电;后者的载流子为空穴,相当于带正电。,若载流子为N型,则D面电势低于D’,;若载流子为P型,则D面电势高于D’,。因此,知道了载流子类型,可以根据UDD’的正负确定待测磁场的方向;反之,知道了磁场方向亦可以确定载流子的类型。,它们都将带来附加的电势差,所以在使用霍耳元件时还需设法消除这些附加电势差。这些副效应包括:(1)埃廷豪森效应。这是一种温度梯度效应。由于载流子的速度不相等,它们在磁场作用下,速度大的受到洛伦兹力大,绕大圆轨道运动,速度小的则绕小圆轨道运动。这样导致霍耳元件的一端(D端)较另一端(D’端)具有较多的能量而形成一横向的温度梯度,该温度梯度引进的D、D’两端出现温