实验名称:利用霍耳效应测磁场
实验目的:
a.了解产生霍耳效应的物理过程;
b.学习用霍尔器件测量长直螺线管的轴向磁场分布;
c.学习用“对称测量法”消除负效应的影响,测量试样的VH?IS和VH?IM曲线; d.确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
实验仪器:
TH-H型霍尔效应实验组合仪等。
实验原理和方法:
1. 用霍尔器件测量磁场的工作原理
如下图所示,一块切成矩形的半导体薄片长为l、宽为b、厚为d,置于磁场中。磁场B垂直于薄片平面。若沿着薄片长的方向有电流I通过,则在侧面A和B间产生电位差VH?VA?VB。此电位差称为霍尔电压。
半导体片中的电子都处于一定的能带之中,但能参与导电的只是导带中的电子和价带中的空穴,它们被称为载流子。对于N型半导体片来说,多数载流子为电子;在P型半导体中,多数载流子被称为空穴。再研究半导体的特性时,有事可以忽略少数载流子的影响。 霍尔效应是由运动电荷在磁场中收到洛仑兹力的作用而产生的。以N型半导体构成的霍尔元件为例,多数载流子为电子,设电子的运动速度为v,则它在磁场中收到的磁场力即洛仑兹力为
Fm??ev?B
F的方向垂直于v和B构成的平面,并遵守右手螺旋法则,上式表明洛仑兹力F的方向与电荷的正负有关。
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用霍尔元件测磁场
前言:
霍耳效应是德国物理学家霍耳(A.H.Hall 1855—1938)于1879年在他的导师罗兰指导下发现的。由于这种效应对一般的材料来讲很不明显,因而长期未得到实际应用。六十年代以来,随着半导体工艺和材料的发展,这一效应才在科学实验和工程技术中得到了广泛应用。
利用半导体材料制成的霍耳元件,特别是测量元件,广泛应用于工业自动化和电子技术等方面。由于霍耳元件的面积可以做得很小,所以可用它测量某点或缝隙中的磁场。此外,还可以利用这一效应来测量半导体中的载流子浓度及判别半导体的类型等。近年来霍耳效应得到了重要发展,冯﹒克利青在极强磁场和极低温度下观察到了量子霍耳效应,它的应用大大提高了有关基本常数测量的准确性。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耳器件,会有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验,对今后的工作将大有益处。
教学目的:
1. 了解霍尔效应产生的机理,掌握测试霍尔器件的工作特性。
2. 掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。
3. 学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。
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【实验题目】通过霍尔效应测量磁场
【实验目的】
1、了解霍尔效应原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。
2、学习用“对称测量法”消除付效应影响。
3、根据霍尔电压判断霍尔元件载流子类型,计算载流子的浓度和迁移速度,
【实验仪器】
QS-H霍尔效应组合仪
【实验原理】
1、通过霍尔效应测量磁场
霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向),当沿y方向的电极A、A上施加电流I时,薄片内定向移动的载流子(设平均速率为)受到洛伦兹力的作用,
(1)
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霍尔效应测量磁场
【实验目的】
(1) 了解霍尔效应的基本原理
(2) 学习用霍尔效应测量磁场
【仪器用具】
【实验原理】
(1) 霍尔效应法测量磁场原理
若将通有电流的导体至于磁场B之中,磁场B(沿着z轴)垂直于电流IS(沿着x轴)的方向,如图1所示则在导体中垂直于B和IS方向将出现一个横向电位差UH,这个现象称之为霍尔效应。
图 1 霍尔效应示意图
若在x方向通以电流IS,在z方向加磁场B,则在y方向A、A′两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场.当载流子所受的横向电场力FE洛伦兹力FB相等时:
此时电荷在样品中不再偏转,霍尔电势差就有这个电场建立起来。
N型样品和P型样品中建立起的电场相反,如图1所示,所以霍尔电势差有不同的符号,由此可以判断霍尔元件的导电类型。
设P型样品的载流子浓度为p,宽度为w,厚度为的d。通过样品电流IS=pqvwd,则空穴速率v=IS/pqwd,有
其中RH=1/pq称为霍尔系数,KH=RH/d=1/pqd称为霍尔元件灵敏度。
(2) 霍尔元件的副效应及其消除方法
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【实验题目】通过霍尔效应测量磁场
【实验目的】
1、了解霍尔效应原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。
2、学习用“对称测量法”消除付效应影响。
3、根据霍尔电压判断霍尔元件载流子类型,计算载流子的浓度和迁移速度,
【实验仪器】
QS-H霍尔效应组合仪
【实验原理】
1、通过霍尔效应测量磁场
霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向),当沿y方向的电极A、A上施加电流I时,薄片内定向移动的载流子(设平均速率为v)受到洛伦兹力FB的作用,
FB?qvB (1)
无论载流子是负电荷还是正电荷,FB的方向均
沿着x方向,在磁力的作用下,载流子发生偏移,
产生电荷积累,从而在薄片B、B两侧产生一个电
位差VH,形成一个电场E。电场使载流子又受到一
个与FB方向相反的电场力FE,
FE?qE?qVH (2)
其中b为薄片宽度,FE随着电荷累积而增大,当
达到稳定状态时FE?FB,即
qvB?qVH (3)
这时在B、B两侧建立的电场称为霍尔电场,相应的电压VH称为霍尔电压,电极B、B称为霍尔电极。
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实验目的:
a.了解产生霍耳效应的物理过程;
b.学习用霍尔器件测量长直螺线管的轴向磁场分布;
c.学习用“对称测量法”消除负效应的影响,测量试样的和曲线;
d.确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
实验仪器:
TH-H型霍尔效应实验组合仪等。
实验原理和方法:
1. 用霍尔器件测量磁场的工作原理
如下图所示,一块切成矩形的半导体薄片长为、宽为、厚为,置于磁场中。磁场B垂直于薄片平面。若沿着薄片长的方向有电流通过,则在侧面A和B间产生电位差。此电位差称为霍尔电压。
半导体片中的电子都处于一定的能带之中,但能参与导电的只是导带中的电子和价带中的空穴,它们被称为载流子。对于N型半导体片来说,多数载流子为电子;在P型半导体中,多数载流子被称为空穴。再研究半导体的特性时,有事可以忽略少数载流子的影响。
霍尔效应是由运动电荷在磁场中收到洛仑兹力的作用而产生的。以N型半导体构成的霍尔元件为例,多数载流子为电子,设电子的运动速度为,则它在磁场中收到的磁场力即洛仑兹力为
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实验八 用霍尔效应测量螺线管磁场
用霍尔传感器测量通电螺线管内励磁电流与输出霍尔电压之间关系,证明霍尔电势差与螺线管内磁感应强度成正比;用通电长直通电螺线管轴线上磁感应强度的理论计算值作为标准值来校准或测定霍尔传感器的灵敏度,熟悉霍尔传感器的特性和应用;用该霍尔传感器测量通电螺线管内的磁感应强度与螺线管轴线位置刻度之间的关系,作磁感应强度与位置刻线的关系图,学会用霍尔元件测量磁感应强度的方法。
一、实验目的
1.了解霍尔效应现象,掌握其测量磁场的原理。
2.学会用霍尔效应测量长直通电螺线管轴向磁场分布的方法。
二、实验原理
图1所示的是长直螺线管的磁力线分布,有图可知,其内腔中部磁力线是平行于轴线的直线系,渐近两端口时,这些直线变为从两端口离散的曲线,说明其内部的磁场在很大一个范围内是近似均匀的,仅在靠近两端口处磁感应强度才显著下降,呈现明显的不均匀性。根据电磁学毕奥-萨伐尔定律,通电长直螺线管线上中心点的磁感应强度为:
(1)
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