大学物理实验霍尔效应.pptx

大学物理实验霍尔效应霍尔霍尔(A、H、Hall)霍尔效应就是美国物理学霍尔效应就是美国物理学家霍尔家霍尔(A、H、Hall,18551938)于于1879年在美国霍普金斯年在美国霍普金斯大学读研究生期间大学读研究生期间,研究关于载研究关于载流导体在磁场中得受力性质时流导体在磁场中得受力性质时发现得一种现象。发现得一种现象。A、H、Hall(18551938)霍尔效应霍尔效应(Hall effect)如如果果在在一一块块矩矩形形半半导导体体薄薄片片上上沿沿x轴轴方方向向通通以以电电流流,在在z轴轴方方向向上上加加磁磁场场 ,则则在在垂垂直直于于电电流流和和磁磁场场得得方方向向(即即y 轴轴方方向向)上上产产生生电电势势差差,这这一一现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应,所所产产生生得得电电压压称称为为霍霍尔尔电压。电压。xyzISVH霍尔效应霍尔效应(Hall effect)IS半导体半导体:N型型载流子就是电子载流子就是电子;P型型载流子就是空穴载流子就是空穴有一有一N型半导体薄片型半导体薄片:厚为厚为d,宽为宽为b,AC电极间距为电极间距为lISmV洛伦兹力洛伦兹力霍尔电场霍尔电场霍尔电压霍尔电压动态平衡时动态平衡时P型半导体型半导体xyz电场力电场力-测量霍尔电压测量霍尔电压ISISmV实验中得副效应:u不等势电压V0u厄廷豪森效应VEu能斯特效应VNu里纪-勒杜克效应VRL副效应得消除方法用对称测量法测量+B,+IS VAA=V1-B,+IS VAA=V2-B,-IS VAA=V3+B,-IS VAA=V4xyzVAA仪器介绍仪器介绍xyz霍尔片IS输入+IS-IS霍尔片输出VHVH+-mV+-霍尔效应测试仪霍尔效应测试仪S HVH V(mV)IS(mA)IM(A)IS调节调节IM调节调节IS输出输出IM输出输出VH V输入输入-3、21 、123仪器介绍仪器介绍实验内容实验内容保保持持IM值值不不变变,(取取IM=0、600A),改改变变IS,测测量量VH,用用最最小小二二乘乘法处理数据法处理数据,计算霍尔系数计算霍尔系数RH,计算载流子浓度计算载流子浓度n。u电磁铁电磁铁励磁电流励磁电流 ,电磁铁常数电磁铁常数电磁铁磁感应强度电磁铁磁感应强度 B得国际单位得国际单位:特斯拉特斯拉T,单位换算单位换算RH 霍尔系数霍尔系数1、测量霍尔电压测量霍尔电压,计算霍尔系数计算霍尔系数实验内容实验内容2、测测AC间间电电压压 ,计计算算电电导导率率 ,迁移率迁移率 。u将将实实验验仪仪“VH 输输出出”开开关关倒倒向向 ,在在 零零 磁磁 场场 下下(怎怎 样样 获获 得得 零零 磁磁 场场？),取取 ,测量测量 。注注意意:IS取取值值不不要要大大于于0、20mA,以以免免过过大大,毫伏表超量程。毫伏表超量程。()()()()霍尔片输出VHVH+-mV数据处理数据处理l记录记录B0、IM,计算磁感应强度计算磁感应强度B(计算过程计算过程)。l记录霍尔片几何参量记录霍尔片几何参量b、d、l(122页页)。l用用最小二乘法最小二乘法处理数据处理数据,记录截距记录截距A,斜率斜率B,相关系数相关系数r。l用用斜率斜率B计算霍尔系数计算霍尔系数RH。l判断材料得导电类型判断材料得导电类型(N型型P型型)。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静数据处理数据处理l计算计算载流子浓度载流子浓度(单位体积内含有载流子得个数单位体积内含有载流子得个数,单位单位 )l计计算算电电导导率率(描描述述物物体体得得导导电电能能力力,就就是是电电阻阻率率得得倒倒数数。单单位位:西西门门子子/米米(S/m)l计计算算迁迁移移率率(就就是是指指载载流流子子(电电子子和和空空穴穴)在在单单位位电电场场作作用用下下得得平平均均漂漂移移速速度度,即即载载流流子子在在电电场场作作用用下下运运动动速速度度得得大大小小得得量量度度,运运动动得得快快,迁迁移移率率大大;运运动得慢动得慢,迁移率小。单位迁移率小。单位 )注意事项注意事项l霍霍尔尔片片性性脆脆易易碎碎,电电极极甚甚细细易易断断,严严禁禁撞撞击击或或用用手手触触摸摸,否否则则易易遭遭损损坏坏。在在需需要要调调节节霍霍尔尔片片位位置置时时,必必须须谨谨慎慎,切切勿勿随随意意改改变变Y轴轴方方向向得得高高度度,以以免免霍霍尔尔片与磁极面摩擦而受损。片与磁极面摩擦而受损。l决决不不允允许许将将“IM输输出出”接接到到“IS输输入入”或或“VH、V输输出出”处处,否否则则,一一旦通电旦通电,霍尔样品即遭损坏。霍尔样品即遭损坏。l测测量量V时时,IS不不宜宜过过大大,以以免免数数字字电电压压表表超超量量程程,通通常常IS取取为为0、2mA左左右。右。最小二乘法最小二乘法(直线拟合直线拟合y=A+Bx)相关系数斜率截距如果相关系数|r|趋于1,说明VH和IS线性关系好,截距A趋于0,说明VH和IS就是正比关系,有因为返回返回最小二乘法最小二乘法(直线拟合直线拟合y=A+Bx)设置状态设置状态 MODE MODE 2 1MODE MODE 2 1清除内存清除内存 SHIFT AC =SHIFT AC =输入数据输入数据 x x1 1 ,y1 M+y1 M+x2 x2 ,y2 M+y2 M+x xn n ,yn M+yn M+截距截距A A SHIFT 7 =SHIFT 7 =2 2位位,单位单位斜率斜率B B SHIFT 8 =SHIFT 8 =4 4位位,单位单位相关系数相关系数r r SHIFT (=SHIFT (=保留至不为保留至不为9 9得数得数返回返回霍尔效应霍尔效应(Hall effect)xyzISP型半导体型半导体ISmV返回返回不等势电压不等势电压 不等势电压就是由于霍尔元件得材料本身不均匀,以及电压输入端AA引线在制作时不可能绝对对称地焊接在霍尔片得两侧。因此,当电流 流过霍尔元件时,在电极AA间也具有电势差,记为 ,其方向只随 方向不同而改变,与磁场方向无关。因此,可通过改变 方向予以消除。IS返回返回厄廷豪森效应厄廷豪森效应返回返回 1887年厄廷豪森发现,由于载流子得速度不相等,她们在磁场得作用下,速度大得受到得洛仑兹力大,绕大圆轨道运动,速度小则绕小圆轨道运动,这样导致霍尔元件得一端较另一端具有较多得能量而形成一个横向得温度梯度。因而产生温差效应,形成电势差,记为 ,其方向取决于 和 得方向。可判断出 和 始终同向。能斯特效应能斯特效应返回返回 由图所示由于输入电流端引线D、E点处得电阻不相等,通电后发热程度不同,使D和E两端之间出现热扩散电流,在磁场得作用下,在A、A两端出现横向电场,由此产生附加电势差,记为 。其方向与 无关,只随磁场方向而变。DE