用霍尔元件测螺线管磁场实验报告.docx

1、用霍尔元件测螺线管磁场实验报告竭诚为您提供优质文档/双击可除用霍尔元件测螺线管磁场实验报告篇一：用霍尔元件测螺线管磁场.实验三十用霍尔元件测螺旋磁场【实验目的】1.学习用霍尔效应测量磁场的原理和方法。2.学习用霍尔元件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。【实验仪器】Thh型霍尔效应实验组合仪。【实验原理】1.霍尔效应霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。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的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场eh。如图*1*所示的半导体试样，若在x方向通以电流Is，在Z方向加磁场b，则在Y方

2、向即试样A-A电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于式样的导电类型。对于图*1a*所示的n型试样，霍尔元件逆Y方向，图*1b*的p型试样则沿Y方向。即有eh(Y)?0?(n型)eh(Y)?0?(p型)*（注（a）载流子为电子(n型)（b）载流子为空穴(p型)）显然，霍尔电场eh是阻止载流电子继续向侧面偏移，当载流电子所受的横向电场力eeh洛伦兹力evb相等时，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有eeh?evb式中，eh为霍尔电场；v是载流电子在电流方向上的平均漂流速度。设试样的宽为b，厚度d，载流子浓度为n，则Is?nevbd由式（1）、式（2）可得Vh?ehb?I

3、b1Isb?Rhsnedd即霍尔电压Vh(A、A电极之间的电压)与Isb乘积成正比与试样厚度d成反比。比例系数Rh?称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出Vh（V)以及3d(cm)知道I（和，可按下式计算A)、b(gs)R(cm/c)shRh?8Vhd?108Isb上式中的10是由于磁感应强度b用电磁单位高斯(gs)，d用厘米(cm)单位，而其他各量均采用国际制单位引入。2.霍尔系数Rh与其他参数之间的关系根据Rh可进一步确定以下参数：（1）由Rh的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判别的方法是按图1所示的Is和b的方向，若测得的Vh?VAA?0,即A点电位高于A

4、点的电位，则Rh为负，样品属n型；反之则为p型。（2）由Rh求载流子浓度n。即n?1Rhe。应该指出，这个关系式是假定所有载流子都有相同的漂移速度得到的。如果严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入3?的修正因子（可参阅黄昆、谢希德著半导体物理）。（3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率?。电导率?与载流子浓度n以及迁移率?之间有如下关系：?ne?即?Rh,测出?值即可求?。3.霍尔效应与材料性能的关系根据上述分析可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率?亦较高）的材料。因Rh?,就金属导体而言，?和?均较低，而不良导体?高，但?极小，因而上述两种材料的霍尔系数都

5、很小，不能用来制造霍尔元件。半导体?高，?适中，是制造霍尔元件较理想的材料，由于霍尔电压大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔元件的输出电压较片状要高得多。就霍尔器件而言，其厚度是一定的，所以实用上采用Kh?1来表示器件的灵敏度，Kh称为霍尔灵敏度，单位为mV/(mA?T)。ned4.实验方法（1）霍尔电压Vh的测量方法值得注意的是，在产生霍尔效应的同时，因伴随着各种副效应，以致实验测得的A、A两极之间的电压并不等于真实的霍尔电压Vh值，而是包含着各种副效应所引起的附加电压，因此必须设法消除。根据副效应产生的机理可知，采用电流和磁换向的对称测量法，基本上能把副效应的影响从测量中消除。即在规定

6、了电流和磁场正、反方向后，分别测量由下列四组不同方向的Is和b组合的VAA(A、A两点的电位差)，即?b,?Is?b,?Is?b,?Is?b,?Is然后求V1、V2、V3和V4的代数平均值VAA?V1VAA?V2VAA?V3VAA?V4Vh?V1?V2?V3?V44通过上述的测量方法，虽然还不能消除所有的副效应，但其引入的误差不大，可以略而不计。（2）电导率?的测量?可以通过图3-31-1所示的A、c(或A、c)电极进行测量，设A、c间的距离为l，样品的很截面积为s?bd，流经样品的电流为Is，在零磁场下，若测得A、c间的电位差为V?(即VAc),可由下式求得：?IslV?s【实验内容】测绘螺

7、线管轴线上的磁感应强度分布。表Is?8.00mA,Im?0.800A篇二：霍尔元件测磁场实验报告hLD-hL-IV型霍尔效应实验仪报告实验数据记录与处理示例1.表1Im=0.800A2.表2Is=8.00mA霍尔电压与霍尔电流的关系曲线霍尔电压与励磁电流的关系曲线从图上可以清楚看到霍尔电压与霍尔电流，励磁电流之间成线性关系。3.表3Is=8.00mAIm=0.800Ax=14-x1-x2螺线管中心磁感应强度理论值：n=109.7102/mKh=2.10mV/mAKgsb0?0nIm?4?10?7?109.7?102?0.800?0.01103(T)?0.110(Kgs)实验值：b?0.109(

8、Kgs)相对误差：e?b?b00.109?0.110?100%?100%?0.9%b00.110螺线管轴线磁感应强度分布曲线篇三：霍尔元件测磁场实验报告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.hall18551938）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

9、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。教学重难点：1.霍尔效应2.霍尔片载流子类型判定。实验原理如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中，其平面与磁场垂直，薄片的四个侧面

10、分别引出两对电极（m、n和p、s），径电极m、n通以直流电流Ih，则在p、s极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。这电势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片就是霍尔片。假设霍尔片是由n型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极m、n上通过的电流由m极进入，n极出来（如图），则片中载流子（电子）的运动方向与电流Is的方向相反为v,运动的载流子在磁场b中要受到洛仑兹力fb的作用，(:用霍尔元件测螺线管磁场实验报告)fb=evb，电子在fb的作用下，在由nm运动的过程中，同时要向s极所在的侧面偏转（即向下方偏转），结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（p极所在侧面）带正电，在上下两侧面之间就

11、形成电势差Vh，即霍尔电势差。薄片中电子在受到fb作用的同时，要受到霍尔电压产生的霍尔电场eh的作用。fh的方向与fb的方向正好相反，eh=Vh/b,b是上下侧面之间的距离即薄片的宽度，当fh+fb=0时，电子受力为零达到稳定状态，则有eeh+(evb)=0eh=-vb因v垂直b，故eh=vb（v是载流子的平均速度）霍尔电压为Vh=beh=bvb。设薄片中电子浓度为n，则Is=nedbv,v=Is/nedb。Vh=Isb/ned=KhIsb式中比例系数Kh=1/ned，称为霍尔元件的灵敏度。将Vh=KhIsb改写得b=Vh/KhIs如果我们知道了霍尔电流Ih，霍尔电压Vh的大小和霍尔元件的灵敏

12、度Kh，我们就可以算出磁感应强度b。实际测量时所测得的电压不只是Vh，还包括其他因素带来的附加电压。根据其产生的原因及特点，测量时可用改变Is和b的方向的方法，抵消某些因素的影响。例如测量时首先任取某一方向的Is和b为正，当改变它们的方向时为负，保持Is、b的数值不变，取（Is+，b+）、（Is-、b+）、（Is+、b-）、（Is-，b-）四种条件进行测量，测量结果分别为：V1=Vh+V0+Ve+Vn+VRLV2=-Vh-V0-Ve+Vn+VRLV3=-Vh+V0-Ve-Vn-VRLV4=Vh-V0+Ve-Vn-VRL从上述结果中消去V0，Vn和VRL，得到Vh=（V1-V2-V3+V4）-V

13、e一般地Ve比Vh小得多，在误差范围内可以忽略不计。实验仪器Th-s型螺线管磁场测定实验组合仪。1.实验仪介绍如图所示，探杆固定在二维（x,Y方向）调节支架上。其中Y方向调节支架通过旋钮Y调节探杆中心轴线与螺线管内孔轴线位置，应使之重合。x方向调节支架通过旋钮x1,x2来调节探杆的轴向位置,其位置可通过标尺读出。2.测试仪1.“Is输出”：霍尔器件工作电流源，输出电流010mA，通过“Is调节”旋钮调节。2.“Im输出”：螺线管励磁电流源，输出电流01A，通过“Im调节”旋钮调节。上述俩组恒流源读数可通过“测量选择”按键共用一只数字电流表“Is(mA).Im(A)“显14示，按键测Im，放键测

14、Is。3.直流数字电压表“Vh.Vo(mV)”，供测量霍尔电压用。实验步骤1.按图接好电路，K1、K2、K3都断开，注意Is和Im不可接反,将Is和Im调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输入电流趋于最小状态。2.转动霍尔器件探杆支架的旋钮x1或x2，慢慢将霍尔器件移到螺线管的中心位置(x1=14cm,x2=0)(注：以相距螺线管两端口等远的中心位置为坐标原点，则探头离中心的距离为x=14-x1-x2)K3,调节Im=0.800A并在测试过程终保持不变,弹出“测量选择”按钮，依次按表1调节Is,测出相应的V1,V2,V3,V4,绘制Vh-Is曲线。3.调节Is=8.00mA并在测试过程终保持不变,按

15、下“测量选择”按钮，依次按表2调节Im测出相应的V1,V2,V3,V4,绘制Vh-Im曲线(注：改变Im时要快，每测好一组数据断开闸刀开关K3后再记录数据,避免螺线管发热)。4.调节Is=8.00mA，Im=0.800A，x1=0,x2=0依次按表3调节x1,x2测出相应的V1,V2,V3,V4,记录Kh和n,绘制b-x曲线,验证螺线管端口的磁感应强度为中心位置的1/2(注：调节探头位置时应将闸刀开关K1，K3断开).5.将将Is和Im调到最小，断开三个闸刀开关，关闭电源拆线收拾仪器。实验数据记录与处理示例1.表1Im=0.800A2.表2Is=8.00mA霍尔电压与霍尔电流的关系曲线霍尔电压与励磁电流的关系曲线从图上可以清楚看到霍尔电压与霍尔电流，励磁电流之间成线性关系。