霍耳效应及应用.docVIP

实验18 霍耳效应及应用 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象，故称霍尔效应。后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展，现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。在电流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔效应实验不断有新发现。1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。 在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。 [实验目的] 1．了解霍耳效应实验原理 2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量实验试样（霍尔元件）的VH—Is曲线、VH—IM曲线。 3．霍尔元件的霍尔灵敏度KH与电导率σ，向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛仑兹力为： f L=－eB 式中：e 为电子电量，为电子漂移平均速度，B为磁感应强度。同时，电场作用于电子的力为： f El 式中：EH为霍尔电场强度，VH为霍尔电势，l为霍尔元件宽度，当达到动态平衡时: f L=－f E B=VH/l （1） 设霍尔元件宽度为，厚度为d ，载流子浓度为 n ，则霍尔元件的工作电流为 （2） 由(1)、(2)两式可得： （3） 即霍尔电压VH　(A、B间电压)与Is、B的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比例系数 称为霍尔系数（严格来说，对于半导体材料，在弱磁场下应引入一个修正因子 ，从而有 ），它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，根据材料的电导率的关系，还可以得到： 或 （4） 式中：为载流子的迁移率，即单位电场下载流子的运动速度，一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此制作霍尔元件时大多采用N型半导体材料。 当霍尔元件的材料和厚度确定时，设： （5） 将式（5）代入式（3）中得： （6） 式中：称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍尔电势大小，其单位是，一般要求愈大愈好。由于金属的电子浓度很高，所以它的RH或KH，都不大，因此不适宜作霍尔元件。此外元件厚度d愈薄，KH愈高，所以制作时，往往采用减少d的办法来增加灵敏度，但不能认为d愈薄愈好，因为此时元件的输入和输出电阻将会增加，这对霍尔元件是不希望的。本实验采用的霍尔片的厚度d为0.2mm，宽度为1.5mm。 应当注意：当磁感应强度B和元件平面法线成一角度时（如图2），作用在元件上的有效磁场是其法线方向上的分量，此时： 所以一般在使用时应调整元件两平面方位，使VH达到最大，即：，这时有： （7） 由式（7）可知，当工作电流Is或磁感应强度B，两者之一改变方向时，霍尔电势VH方向随之改变；若两者方向同时改变，则霍尔电势VH极性不变。 图2 图3 霍尔元件测量磁场的基本电路（如图3），将霍尔元件置于待测磁场的相应位置，并使元件平面与磁感应强度B垂直，在其控制端输入恒定的工作电流Is，霍尔元件的霍尔电势输出端接毫伏表，测量霍尔电势VH的值。 [实验内容和实验步骤] 一、按仪器面板上的文字和符号提示将霍尔效应测试仪与霍尔效应实验架正确连接。 1、将霍尔效应测试仪面板右下方的励磁电流IM的直流恒流源输出端（0～0.5A），接霍尔效应实验架上的IM 磁场励磁电流的输入端（将红接线柱与红接线柱对应相连，黑接线柱与黑接线柱对应相连）。 2、“测试仪”左下方供给霍尔元件工作电流IS的直流恒流源（0～3mA）输出端，接“实验架”上IS霍尔片工作电流输入端（将红接线柱与红接线柱对应相连，黑接线柱与黑接线柱对应相连）。 3、“测试仪”VH、Vσ测量端，接“实验架”中部的VH、Vσ输出端。 注意：以上三组线千万不能接错，以免烧坏元件。 4、用一边是分开的接线插座、一边是双芯插头的控制连接线与测试仪背部的插孔相连接(红色插头与红色