实验18:霍耳效应及应用(参考内容)
一、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.确定试样(霍尔元件)的导电类型(N型或P型)。
二、实验器材(型号、规格、件数)
霍耳效应实验仪(HLD—HL--IV型)1台、
霍耳效应测试仪(HLD—HL--IV型)1台(可用2台恒流源,1台数字电压表替代)
专用测试线6根
[仪器简介]
仪器外观图
图二 实验仪电路连接图
三、实验原理
将一导电体(金属或半导体)薄片放在磁场中,并使薄片平面垂直于磁场方向。当薄片纵向端面有电流I流过时,在与电流I和磁场B垂直的薄片横向端面AA’间就会产生一电势差,这种现象称为霍耳效应(Hall effect),所产生的电势差叫做霍耳电势差或霍耳电压,用VH表示。
霍耳效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力f洛作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷集累,从而形成附加的横向电场,即霍耳电场EH。
对实验所用试样(霍尔元件),在X方向通以电流Is,在Z方向加磁场B,则在Y方向有霍耳电场EH。
当试样中载流子所受的横向电场力eEH与洛仑兹力evB相等时,样品两侧电荷积累达到平衡,因此有: f洛=F横向电场力
evB=eEH (1)
若霍尔元件几何参数如图已知,且n为载流子浓度,v为载流子在电流方
向上的平均漂移速度。有Is=nevbd (2)
由(1)(2)两式可得:VH =EHb=IsB/ned
则VH =RH(IsB/d) (3)
Is—X方向电流 Y
IM-----IM励磁电流(B磁场Z方向)
RH=1/ne----霍尔系数 X
VH---霍尔电压 Z
由(3)式知:在外磁场不太强时,霍耳电压与工作电流和磁感应强度成正比,与薄片厚度成反比。VH µ Is;VH µ IM(B);VH µ1/d
四.实验内容
1、 测绘试样(霍尔元件)VH—Is曲线
2、测绘试样(霍尔元件)VH—IM曲线
3、确定试样(霍尔元件)的导电类型(N型或P型)。
五、实验记录与数据处理
1.实验准备:
1)记录励磁线圈相关参数:
2)测试仪开机前应将Is,IM调节旋纽逆时针旋到底,使其输出电流趋于最小状态,然
后开机。
3) 按图二所示电路连接图连接好实验电路。注意输出电流与输入电流的正负极性。
提醒:
本实验的器件很容易损坏,有以下几点需要特别注意:
1)接好线路需要老师检查后方可通电,这主要是为了避免将测试仪的励磁电源“IM 输出”
误接到实验仪的“Is 输入”或“VH输出”处,否则一通电,霍尔器件即被破坏!
2)电路开、关、或功能切换时,一定要将Is、IM旋钮逆时针旋转到底,也就是把它们的
输出调为零,这主要是为了避免电压或者电流的突变对仪器、件造成破坏。
3)霍尔片性脆易碎,电极甚细易断,实验中严禁触摸探头。
4)关机前应再次将IS、IM调节旋钮逆时针方向旋到底,使其输出电流趋于0后,方可切断电源。
2.实验记录与数据处理
1)测绘VH—Is曲线
将实验仪的三组开关均向上,即在X方向通以电流Is,在Z方向加磁场B,毫伏表电压为VCD=VH ,调节IM=0.6A,保持其值不变,调节Is并记录相应的VH数据,将VH、Is数据,记于表1中。(表中箭头代表实验仪Is,IM 双向开关向上或向下,VH是绝对值取平均)
表1 IM=0.6A Is:1.00—4.00mA
由表1数据(以电压为横轴,电流为纵轴)做实验曲线,即绘出图1(VH—Is曲线)
Is(mA) 图1(VH—Is曲线)
VH(mV)
结论1:由图1可知
2)测绘VH—IM曲线:
实验仪及测试仪各开关位置不变。
调节Is =3.00mA值不变,调节IM,记录相应的VH数据,将VH、IM数据记于表2中。
表2: Is =3.00mA IM:0.300—0.800A
由表2数据(以电压为横轴,电流为纵轴)做实验曲线,即绘出图2(VH—IM曲线)
IM (A) 图2(VH—IM曲线)
VH(mV)
结论2:由图2可知
3)确定试样(霍尔元件)的导电类型(N型或P型)
将实验仪的三组开关均向上,即在X方向通以电流Is,在Z方向加磁场B,毫伏表电压为VCD=VH
取Is =2.00mA,IM =0.55 A,测出VH = mV
按实验条件所测VH (<、>) 0,因此,试样(霍尔元件)的导电类型为 型半导体材料。
注:VH >0---- P型半导体材料(空穴导电)。
VH <0 ---- N型半导体材料(电子导电)。
实验结束:测量仪关机前应将Is,IM调节旋纽逆时针旋到底,使其输出电流趋于最小状
态,然后关机。
思考并现场抽查回答问题:
1. 霍耳电压是怎样形成的?
2. 本实验中的磁场如何建立的?怎样改变大小?
3. 换向开关的作用原理是什么?测量霍耳电压时为什么要接换向开关?
4. 可否用交流电源给霍尔片供电?为什么?
5. 解释提醒中1、2损坏仪器的具体原因。
6. 实验操作中填写表1、2为何要纵向填写?
7.为何由VH 的正负就可测定试样(霍尔元件)的导电类型是P型半导体材料还是N
型半导体材料,试画出简图说明。
本实验报告要求:
1. 实验报告完整、整洁、数据及图线清晰、准确、规范。
2. 数据处理按有效值计算并保留到相应位数。
3. 图线必须标明坐标(含单位)、实验测试点。
注:实验曲线可用坐标纸画图,也可用Origin数据处理软件由计算机做图。
4. 依实验结果完成实验结论。
霍尔效应数据处理范例
由公式:
;
得
——真空磁导率(=);N——励磁线圈的匝数(N=1500);IM——线圈中的励磁电流;
L1——气隙距离; L2——铁芯磁路平均长度;mr——铁芯相对磁导率(mr=1500)
例1、用逐差法处理数据:
数据记录及处理
IM=200mA, L1=3.00mm; L2=287mm;
V8-V1=6.30-0.82=5.48 V9-V2=7.10-1.60=5.50 V10-V3=7.87-2.39=5.48
V11-V4=868-3.18=5.50 V12-V5=9.45-3.97=5.48 V13-V6=10.25-4.74=5.51
V14-V7=11.04-5.54=5.50
数据个数N=7 n=7 根据肖维涅准则剔除坏值 C7=1.8(坏值条件:|Xi-X|>Cn*SX
X的平均值()为5.49 SX=0.012536 Cn*SX=0.022564 无坏值出现
某次测量的标准偏差:
平均值的标准偏差:
不确定度估算:
UA==0.0047 ;
计算霍尔灵敏度及其不确定度:
。
处理结果:
=(13.30.2) (P=0.683)
E=1.0%
例2、作图法:
ICH=1.00mA, L1=4.00mm , L2=269mm
描绘霍尔电压与励磁电流关系图:
计算结果极其不确定度:
在图上取两点A(200,1.55) B(700,5.47)
ΔIm =ImA-ImB=700-200=500(mA)
ΔVH=VHB-VHA=5.47-1.55=3.92(mV)
(取横坐标最小刻度值的一半)
(取纵坐标最小刻度值的一半)
处理结果:
=(17.40.2) (P=0.683)
E=0.9%
附:
为了计算方便,可以一个常数
于是
又:==0.001885 =0.001885
所以:
旧仪器: L1=3.00mm , L2=287mm
()
新仪器:L1=4.00mm , L2=269mm
()
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