物理霍尔效应实验思考题
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1、如何判别霍尔元件的载流子类型? 2、若霍尔片的法线与磁场方向和磁场不一致,对测量结果有何影响? 很急的,谢谢。
全部评论(4条)
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- 罗琼1124 2009-09-16 00:00:00
- 1电流方向一定,载流子的受力方向就一定,载流子会在受力方向积累,然后观测其正负。 2磁场只有部分分量有作用,也就是实际磁场小于通电电流应产生的磁场,下面的自己推导吧。。
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- 锣鼓爱好人 2009-09-16 00:00:00
- 因为载流子初始速度向一个方向,所以受洛仑兹力方向相反,根据此点判断。 不知道霍尔片指的是哪组片。
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- sg9cl4 2012-03-16 00:00:00
- 1、如果样品是N型,载流子是电子,如果样品是P型,载流子是空穴; 2、磁场偏离霍尔元件法向,则霍尔元件测量到的磁场为Bcos(cita),其中B为磁场,cita为法向与磁场之间的夹角。 旋转通电工作的霍尔元件直至其输出电压达到Z大值。
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- ooggrree 2017-09-21 06:32:12
- 物理实验报告 一、实验名称: 霍尔效应原理及其应用 二、实验目的: 1、了解霍尔效应产生原理; 2、测量霍尔元件的 、 曲线,了解霍尔电压 与霍尔元件工作电流 、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 及分布; 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型霍尔效应实验仪(仪器资产编号) 四、实验原理: 1、霍尔效应现象及物理解释 霍尔效应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。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,从而形成附加的横向电场。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而产生相应的电场 ,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 样品两侧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 的符号(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) 2、霍尔效应中的副效应及其消除方法 上述推导是从理想情况出发的,实际情况要复杂得多。产生上述霍尔效应的同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)能斯应引起的电势差 。焊点1、2间接触电阻可能不同,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。与霍尔效应类似,该热扩散电流也会在3、4点间形成电势差 。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子由于速度不同,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)不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,实际测出的电压是霍尔效应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 , , , 的代数平均值得: 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,因此霍尔效应电压 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 ,就可以计算出所处磁场的磁感应强度 。 (1-7) 2、直螺旋管离中点 处的轴向磁感应强度理论公式: (1-8) 式中, 是磁介质的磁导率, 为螺旋管的匝数, 为通过螺旋管的电流, 为螺旋管的长度, 是螺旋管的内径, 为离螺旋管中点的距离。 X=0时,螺旋管中点的磁感应强度 (1-9) 五、 实验内容: 测量霍尔元件的 、 关系; 1、将测试仪的“ 调节”和“ 调节”旋钮均置零位(即逆时针旋到底),极性开关选择置“0”。 2、接通电源,电流表显示“0.000”。有时, 调节电位器或 调节电位器起点不为零,将出现电流表指示末位数不为零,亦属正常。电压表显示“0.0000”。 3、测定 关系。取 =900mA,保持不变;霍尔元件置于螺旋管中点(二维移动尺水平方向14.00cm处与读数零点对齐)。顺时针转动“ 调节”旋钮, 依次取值为1.00,2.00,…,10.00mA,将 和 极性开关选择置“+” 和“-”改变 与 的极性,记录相应的电压表读数 值,填入数据记录表1。 4、以 为横坐标, 为纵坐标作 图,并对 曲线作定性讨论。 5、测定 关系。取 =10 mA ,保持不变;霍尔元件置于螺旋管中点(二维移动尺水平方向14.00cm处与读数零点对齐)。顺时针转动“ 调节”旋钮, 依次取值为0,100,200,…,900 mA,将 和 极性开关择置“+” 和“-”改变 与 的极性,记录相应的电压表读数 值,填入数据记录表2。 6、以 为横坐标, 为纵坐标作 图,并对 曲线作定性讨论。 测量长直螺旋管轴向磁感应强度 1、取 =10 mA, =900mA。 2、移动水平调节螺钉,使霍尔元件在直螺线管中的位置 (水平移动游标尺上读出),先从14.00cm开始,Z后到0cm点。改变 和 极性,记录相应的电压表读数 值,填入数据记录表3,计算出直螺旋管轴向对应位置的磁感应强度 。 3、以 为横坐标, 为纵坐标作 图,并对 曲线作定性讨论。 4、用公式(1-8)计算长直螺旋管ZX的磁感应强度的理论值,并与长直螺旋管ZX磁感应强度的测量值 比较,用百分误差的形式表示测量结果。式中 ,其余参数详见仪器铭牌所示。 六、 注意事项: 1、为了消除副效应的影响,实验中采用对称测量法,即改变 和 的方向。 2、霍尔元件的工作电流引线与霍尔电压引线不能搞错;霍尔元件的工作电流和螺线管的励磁电流要分清,否则会烧坏霍尔元件。 3、实验间隙要断开螺线管的励磁电流 与霍尔元件的工作电流 ,即 和 的极性开关置0位。 4、霍耳元件及二维移动尺容易折断、变形,要注意保护,应注意避免挤压、碰撞等,不要用手触摸霍尔元件。 七、 数据记录:KH=23.09,N=3150匝,L=280mm,r=13mm 表1 关系 ( =900mA) (mV) (mV) (mV) (mV) 1.00 0.28 -0.27 0.31 -0.30 0.29 2.00 0.59 -0.58 0.63 -0.64 0.61 3.00 0.89 -0.87 0.95 -0.96 0.90 4.00 1.20 -1.16 1.27 -1.29 1.23 5.00 1.49 -1.46 1.59 -1.61 1.54 6.00 1.80 -1.77 1.90 -1.93 1.85 7.00 2.11 -2.07 2.22 -2.25 2.17 8.00 2.41 -2.38 2.65 -2.54 2.47 9.00 2.68 -2.69 2.84 -2.87 2.77 10.00 2.99 -3.00 3.17 -3.19 3.09 表2 关系 ( =10.00mA) (mV) (mV) (mV) (mV) 0 -0.10 0.08 0.14 -0.16 0.12 100 0.18 -0.20 0.46 -0.47 0.33 200 0.52 -0.54 0.80 -0.79 0.66 300 0.85 -0.88 1.14 -1.15 1.00 400 1.20 -1.22 1.48 -1.49 1.35 500 1.54 -1.56 1.82 -1.83 1.69 600 1.88 -1.89 2.17 -2.16 2.02 700 2.23 -2.24 2.50 -2.51 2.37 800 2.56 -2.58 2.84 -2.85 2.71 900 2.90 -2.92 3.18 -3.20 3.05 表3 关系 =10.00mA, =900mA (mV) (mV) (mV) (mV) B ×10-3T 0 0.54 -0.56- 0.73 -0.74 2.88 0.5 0.95 -0.99 1.17 -1.18 4.64 1.0 1.55 -1.58 1.80 -1.75 7.23 2.0 2.33 2.37- 2.88 -2.52 10.57 4.0 2.74 -2.79 2.96 -2.94 12.30 6.0 2.88 -2.92 3.09 -3.08 12.90 8.0 2.91 -2.95 3.13 -3.11 13.10 10.0 2.92 -2.96 3.13 -3.13 13.10 12.0 2.94 -2.99 3.15 -3.06 13.20 14.0 2.96 -2.99 3.16 -3.17 13.3 八、 数据处理:(作图用坐标纸) 九、 实验结果: 实验表明:霍尔电压 与霍尔元件工作电流 、直螺线管的励磁电流 间成线性的关系。 长直螺旋管轴向磁感应强度: B=UH/KH*IS=1.33x10-2T 理论值比较误差为: E=5.3% 十、问题讨论(或思考题): 参考资料: 网站:http://ly17yun.lingd.net中有很多
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