《物理实验》课程教学课件（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 1016 1014 1012 10-10 108 106 104 磁场 (T) 過脑胎心肺 城地 磁儿脏的 噪场磁磁微 市噪声 球磁场 声 场场场

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 院二年级学生霍尔在研究载流导体背 在磁场中受力的性质时发现:处在景 磁场中的载流导体,如果磁场方向介 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 绍 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 无法显示图片 H d U H b 霍耳元件原理图 C L 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(x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

洛伦兹力的大小及方向用fB=qU×B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: fe=ge 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: -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) ngaba lt ngbt ·经代换得: Kh ngo B K称为霍尔元件的灵敏度,其单位是毫伏/毫 安·千高斯(mWmA·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、B=M 其中,ls、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 =

今实际测量时测得的值并不只是U,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)Uo 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( Ettinghausen)效应(温差电效应)u 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)Ug 上述四种附加电压,除U外其余都可以通过改变ls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σ。 I R LI SR SU

• 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