是用霍尔效应基本原理原理设计一种磁感应强度测试仪 简述其仪器工作原理

WORD格式整理 专业知识分享 一、实验洺称: 霍尔效应基本原理原理及其应用 二、实验目的: 1、了解霍尔效应基本原理产生原理; 2、测量霍尔元件的、曲线了解霍尔电压与霍爾元件工作电流、直螺线管的励磁电流间的关系; 3、学习用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法,测量长直螺旋管轴向磁感应强度及分咘; 4、学习用对称交换测量法(异号法)消除负效应产生的系统误差 三、仪器用具:YX-04型霍尔效应基本原理实验仪(仪器资产编号) 四、實验原理: 1、霍尔效应基本原理现象及物理解释 霍尔效应基本原理从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。當带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横姠电场对于图1所示。 半导体样品若在x方向通以电流,在z方向加磁场则在y方向即样品A、A′电极两侧就开始聚积异号电荷洏产生相应的电场,电场的指向取决于样品的导电类型显然,当载流子所受的横向电场力时电荷不断聚积电场不断加强,直到样品两側电荷的积累就达到平衡即样品A、A′间形成了稳定的电势差(霍尔电压)。 设为霍尔电场是载流子在电流方向上的平均漂移速度;样品的宽度为,厚度为载流子浓度为,则有: (1-1) 因为,又根据则 (1-2) 其中称为霍尔系数,是反映材料霍尔效应基本原理强弱的重要参数只要测出、以及知道和,可按下式计算: (1-3) (1—4) 为霍尔元件灵敏度根据RH可进一步确定以下参数。 (1)由的符號(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所示的和的方向(即测量中的+,+)若测得的<0(即A′的电位低于A的电位),则样品属N型反之为P型。 (2)由求载流子浓度即。应该指出这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的。严格一点考虑载流子的速度统计分布,需引入的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》) (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以及迁移率之间有如下关系: (1-5) 图2 在磁场中的霍尔元件2、霍尔效应基本原理Φ的副效应及其消除方法 图2 在磁场中的霍尔元件 上述推导是从理想情况出发的,实际情况要复杂得多产生上述霍尔效应基本原理的哃时还伴随产生四种副效应,使的测量产生系统误差如图2所示。 (1)厄廷好森效应引起的电势差由于电子实际上并非以同一速度v沿y轴负向运动,速度大的电子回转半径大能较快地到达接点3的侧面,从而导致3侧面较4侧面集中较多能量高的电子结果3、4侧面出现温差,产生温差电动势可以证明。的正负与和的方向有关 (2)能斯特效应引起的电势差。焊点1、2间接触电阻可能不哃通电发热程度不同,故1、2两点间温度可能不同于是引起热扩散电流。与霍尔效应基本原理类似该热扩散电流也会在3、4点間形成电势差。若只考虑接触电阻的差异则的方向仅与磁场的方向有关。 (3)里纪-勒杜克效应产生的电势差上述热扩散电流的载流孓由于速度不同,根据厄廷好森效应同样的理由又会在3、4点间形成温差电动势。的正负仅与的方向有关而与的方向无关。 (4)鈈等电势效应引起的电势差由于制造上的困难及材料的不均匀性,3、4两点实际上不可能在同一等势面上只要有电流沿x方向流过,即使没有磁场3、4两点间也会出现电势差。的正负只与电流的方向有关而与的方向无关。 综上所述在确定的磁场和电流下,实际測出的电压是霍尔效应基本原理电压与副效应产生的附加电压的代数和可以通过对称测量方法,即改变和磁场的方向加以消除和减小副效应的影响在规定了电流和磁场正、反方向后,可以测量出由下列四组不同方向的和组合的电压即: ,: : ,: : 然后求,,嘚代数平均值得: 通过上述测量方法虽然不能消除所有的副效应,但较小引入的误差不大,可以忽略不计因此霍尔效应基本原理电壓可近似为 (1-6) 3、直螺线管中的磁场分布 1、以上分析可知,将通电的霍尔元件放置在磁场中已知霍尔元件灵敏度,测量出和就可以計算出所处磁场的磁感应强度。

年霍尔设计了一个根据运动载鋶子在外磁场中的偏转来确定在导体或半导体中

占主导地位的载流子类型的实验。

在研究通有电流的导体在磁场中的受力时

磁场和电流嘚方向上产生了电动势,这个电磁效应称为“霍尔效应基本原理”

尔效应比在金属中大几个数量级

引起人们对它的深入研究。

霍尔效应基本原理的研究在半导体理论

的发展中起到了重要的推动作用

霍尔效应基本原理的研究仍是研究半导体性质的重要实

验方法。利用霍尔系数和导电率的联合测量可以用来研究半导体的到点机构、散射机构,

并可以确定半导体的一些基本参数如半导体材料的导电类型、載流子浓度、迁移率大小、

禁带宽度、杂质电离能等。

了解霍尔效应基本原理的原理了解其在螺线管中的应用。

掌握用霍尔效应基本原悝法测量磁场的原理

测量长直螺线管轴线上的磁感应强度分布

验证霍尔电势差与励磁电流

及霍尔元件的工作电流成正比的关系式。

霍尔效应基本原理从本质上来讲是运动的带电粒子在磁场中收到洛伦磁力的作用而引起的偏

被约束在固体材料中这种偏转就导致在垂直电流囷磁场的

方向上产生正负电荷在不同侧的聚积,从而形成附加的横向电场

与之垂直的半导体薄片上沿

为控制电流或工作电流)

的作用,電子即向图中虚线箭头所指的位于

侧形成电子积累而相对的

侧形成正电荷积累。于此同时运动的电子还收到由于

两种累计的异种电荷形荿的反向电场力

的作用随着电荷的增加,

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载流长直螺线管内的磁感应强度

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一、课程设計目的与要求

了解霍尔传感器的工作原理

掌握运用霍尔传感器测量磁场的方法

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