《基础物理实验》课程实验教案（PPT讲稿）霍尔元件测磁场

霍尔元件测磁场

霍尔元件测磁场

实验目的了解霍尔元件测磁场的原理学会测量各种曲线及样品的电导率学习用“对称测量法”消除附加效应的影响

实 验 目 的 • 了解霍尔元件测磁场的原理。 • 学会测量各种曲线及样品的电导率。 • 学习用“对称测量法”消除附加效 应的影响

SQUID（超导量子隧道干涉仪）器件核磁共振仪霍耳器件10-410-1410-1210-1010-810-610-16磁场(T)地球磁场肺的磁场城市噪声心脏磁场SQUID噪声胎儿磁场脑磁场

磁场 （T） 10-4 10-6 10-10 10-14 10-8 10-12 10-16 霍 耳 器 件 核 磁 共 振 仪 SQUID(超导量子隧道干涉仪)器件 地 球 磁 场 城 市 噪 声 SQUID 噪 声 肺 的 磁 场 脑 磁 场 胎 儿 磁 场 心 脏 磁 场

1879年美国霍普金斯大学研究院一年级学生霍尔在研究载流导体背景介绍在磁场中受力的性质时发现：处在磁场中的载流导体，如果磁场方向和电流方向垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上出现横向电场这就是霍尔效应。所产生的电场称霍尔电场，相应的电位差称霍尔电压。产生霍尔效应的载流导体、半导体、离子晶体称霍尔元件

1879年美国霍普金斯大学研究 院二年级学生霍尔在研究载流导体 在磁场中受力的性质时发现：处在 磁场中的载流导体，如果磁场方向 和电流方向垂直，则在与磁场和电 流都垂直的方向上出现横向电场， 这就是霍尔效应。所产生的电场称 霍尔电场，相应的电位差称霍尔电 压。产生霍尔效应的载流导体、半 导体、离子晶体称霍尔元件。 背 景 介 绍

实验原理

实 验 原 理

B霍耳元件原理图无法显示图片xHdifEO+HfB福A霍耳元件是一块矩型半导体薄片，设其长为L宽为b，厚为d，放入磁场中，使磁场方向（z方向）与薄片垂直

UH L C H d b I S z y v fE fB A 霍 耳 元 件 原 理 图 B 霍耳元件是一块矩型半导体薄片，设其长为L 宽为b，厚 为 d，放入磁场中，使磁场方向(z方向）与薄片垂直。 x

Jβ=quxB加洛伦兹力的大小及方向用以确定。电场强度为E，方向由C指向H（-y方向），此电场对载流子的作用力大小为：fe =qE平衡时，载流子所受的电场力和洛伦兹力相等即：fe = fB两侧面的霍尔电压U-也到一稳定值UH = Eb = uBb

• 洛伦兹力的大小及方向用 加 以确定。 • 电场强度为E，方向由C 指向H（-y 方向) ，此 电场对载流子的作用力大小为： • 平衡时，载流子所受的电场力和洛伦兹力相等。 即： • 两侧面的霍尔电压UH 也到一稳定值： f B q B    =   f E = qE E B f = f UH = Eb =Bb

设n为半导体片中载流子浓度，则电流（x方向）/dQnqubdDnqbddt经代换得：UHKHIsBnqdK称为霍尔元件的灵敏度，其单位是毫伏/毫安：千高斯（mV/mA：kGS）如果霍尔元件的灵敏度已测定，可以用上式计算磁感应强度B，即UHB=KμI其中，Is、U需用仪表分别测量

• 设n为半导体片中载流子浓度，则电流（x方向） • 经代换得： KH称为霍尔元件的灵敏度，其单位是毫伏/ 毫 安· 千高斯(mV/mA · kGS) 。 • 如果霍尔元件的灵敏度已测定，可以用上式计算 磁感应强度B，即： 其中 ，IS、 UH需用仪表分别测量。 nq bd dt dQ I S = =  nqbd I S  = I B U nqd K S H H = = 1 H s H K I U B =

实际测量时测得的值并不只是UH，还包括了其它因素带来的附加电压，主要的附加电压有1.由于电极位置不对称产生的电势差（不等位电势）U。2.霍耳元件伴随霍耳效应还存在几种附加效应1）厄廷豪森（Etinghausen）效应（温差电效应）U2）能斯脱（Nernst）效应（热磁效应）Un3）里纪-勒杜克（Righi-Leduc）效应（热磁效应产生的温差）UR上述四种附加电压，除U=外其余都可以通过改变Is或B的方向来消除

❖ 实际测量时测得的值并不只是UH，还包括了其它因素 带来的附加电压，主要的附加电压有： 1.由于电极位置不对称产生的电势差（不等位电势）U0 2.霍耳元件伴随霍耳效应还存在几种附加效应： 1）厄廷豪森（Etinghausen）效应（温差电效应）UE 2）能斯脱（Nernst）效应（热磁效应）UN 3）里纪-勒杜克（Righi-Leduc）效应（热磁效应产生 的温差）UR 上述四种附加电压，除UE 外其余都可以通过改变IS 或 B的方向来消除

本实验还可以测量霍耳元件的电导率1LR=S01LLISO=SRSUO

• 本实验还可以测量霍耳元件的电导率  。 S L R =   1   SU LI S R L S =  = 1