实验五用霍尔元件测量磁场.doc

1实验五实验五 用霍耳用霍耳元件测量磁场元件测量磁场一、实验目的一、实验目的1．了解霍耳效应的产生机理2．掌握用霍耳元件测量磁场的基本方法二、实验仪器二、实验仪器霍尔效应实验仪三、实验原理三、实验原理1、什么叫做霍耳效应？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)(BvF qB （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EBv)(（2）42BdIH13 +vFBFEb2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pqbdBIEHBv（3）上式两边各乘以 b，便得到dBIRpqdBIEbUH HH H（4）pqRH1 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，一般只有 0.2mm 厚由（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，在操作时我们要分别改变 IH的方向和 B 的方向，记下四组电势差数据，作运算并取平均值：由于 UE方向始终与 UH相同，所以换向法不能消除它，但一般 UE<

2．接通电源前，检查 Is、IM是否在“零”位，如不在，逆时针将 Is、IM旋至“零”位3．测量霍尔电压（1）将“Is－IM测量选择”按下，将“IM调节”顺时针旋到 IM＝＝0.500A（不能过大）（不能过大） ，以后整个测量过程中不再改变此值2）将“Is－IM测量选择”弹起，将“Is 调节”顺时针旋到 1.00mA，并保持电流 Is 不变在 K1，K2，K3（整个过程中 K3保持不变）最初位置情况下，读出“UH输出”上的读数 U1；K2换向（即 B 方向变） ，K1不变（即 Is 方向不变） ，读出“UH输出”上的读数U2；K1，K2同时换向（相对于最初位置） ，读出“UH输出”上的读数 U3；K2不变（同最初位置） ，K1换向（相对于最初位置） ，读出“UH输出”上的读数 U4 （3）保持 IM不变，将工作电流 Is 依次取 1.00mA, 2.00mA, 3.00mA,4.00mA, 5.00mA, 6.00mA, 7.00mA, 按步骤（2）得到相应的 U1，U2，U3，U4的值，并在表格中记录数据/mAsI1/UmV2/UmV3/UmV4/UmV/HUmV(mV/mA)/HsUI1.002.003.004.005.006.00六、数据处理六、数据处理1、 以 UH为纵坐标，Is 为横坐标，在坐标纸上做出 UH－Is 关系曲线，考察是否为过坐标原点的一条直线。

2、 求出 UH－Is 关系曲线的直线斜率，并根据给定的霍尔元件的灵敏度 K（线圈上标有，单位 mV/(mA.T)） ，计算出电磁铁磁极之间的磁感应强度 B（即斜率除以 K）：HsUBI K3、 计算所测磁场的不确定度A 类不确定度：421()1ni iBB Bn 相对不确定度：100%BBEB结果表示： BBB4、 此霍尔样品为 N 型半导体元件5、 回答思考题 1，2七、思考题七、思考题1．什么叫霍耳效应？利用霍耳效应侧磁场时，具体要测哪些物理量？2．测量霍尔电压时，如何消除副效应的影响？八、注意事项八、注意事项1．霍耳片又薄又脆，切勿用手摸2．霍耳片允许通过电流很小，切勿与励磁电流接错！3．电磁铁通电时间不要过长，以防电磁铁线圈过热影响测量结果。