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1、课程编号得分教师签名批改日期深圳大学实验报告课程名称： 大学物理实验（2）实验名称：实验1霍尔效应及其应用学院：机电与控制工程学院专业： 机械制造及其自动化 班级: 机械 02 班组号：20指导教师:马永健 龚志瑞报告人：俞诗强 学号：2013110357实验地点科技楼901实验时间：2014年10月13日星期一实验报告提交时间：一、实验目的1 .掌握霍耳效应的原理；2 .学习用霍尔器件测量磁场分布；3 .学习用“对称测量法”消除副效应的影响二、实验原理:1 .用霍尔器件测量磁场的工作原理如下图所示，一块切成矩形的半导体薄片长为l、宽为b、厚为d ,置于磁场中。磁场 B垂直于薄片平面。若沿着薄
2、片长的方向有电流I通过，则在侧面 A和B间产生电位差VH VA VB。此电位差称为霍尔电压。置部元件工作原理图半导体片中的电子都处于一定的能带之中，但能参与导电的只是导带中的电子和价带中的空穴，它们被称为载流子。对于N型半导体片来说，多数载流子为电子；在P型半导体中，多数载流子被称为空穴。再研究半导体的特性时，有事可以忽略少数载流子的影响。霍尔效应是由运动电荷在磁场中收到洛仑兹力的作用而产生的。以N型半导体构成的霍尔元件为例，多数载流子为电子，设电子的运动速度为 v,则它在磁场中收到的磁场力即洛 仑兹力为Fmev BF的方向垂直于V和B构成的平面，并遵守右手螺旋法则， 上式表明洛仑兹力 F的方
3、向与 电荷的正负有关。自由电子在磁场作用下发生定向便宜，薄片两侧面分别出现了正负电荷的积聚，以两个 侧面有了电位差。同时，由于两侧面之间的电位差的存在，由此而产生静电场，若其电场强度为Ex,则电子又受到一个静电力作用，其大小为Fe eEx电子所受的静电力与洛仑兹力相反。当两个力的大小相等时，达到一种平衡即霍尔电势 不再变化，电子也不再偏转，此时，Ex BV两个侧面的电位差Vh Exb由Inevbd及以上两式得其中：n为单位体积内的电子数;令霍尔器件灵敏度系数则Vh1/(ned)lBe为电子电量；d为薄片厚度。VhIsVhKhIBHH小。若常数Kh已知，并测定了霍尔电动势 Vh和电流I就可由上式
4、求出磁感应强度B的大Vh ,还包括电热电流地尔片上的两对电银上式是在理想情况下得到的，实际测量半导体薄片良策得到的不只是 现象（爱廷豪森效应）和温差电现象（能斯特效应和里纪勒杜克效应）而产生的附加电势。另外，由于霍尔元件材料本身不均匀，霍尔电极位置不对称，即使不存在磁场的情况下（如 下图所示），当有电流I通过霍尔片时，P、Q两极也会处在不同的等位面上。因此霍尔元件 存在着由于P、Q电位不相等而附加的电势， 称之为不等电位差或零位误差。而这种不等电位差与其他附加电势相比较为突出。2 .霍尔元件的有关参数（1）迁移率在低电场下载流子白平均漂移速度 v与电场强度E成正比，比例常数定义为载流子的漂 移
5、率，简称迁移率，以 表不：v E在一般情况下，由电场作用产生的载流子的定向漂移运动形成的电流密度J与电场强度E成正比，比例常数定义为电阻率，电阻率的倒数称为电导率。E J电导率与载流子的浓度以及迁移率之间有如下关系：ne即 Kh d ,测出值即可求 。(2)由Kh的符号(或霍尔电压的正负)判断样品的导电类型判别方法是按霍尔工作原理图所示的I与B的方向，若测得VH 0 (即A的电位低于A的电位)，则Kh为负，样品属于 N型，反之则为P型。(3)由Kh求载流子的浓度nn 1/(KHed)。应该之处，这个关系是假设所有在载流子都具有相同的漂移速度得到的。严格一点，考虑到载流子的速度统计分布，需引入
6、3 /8的修正因子。3 .长直螺线管绕在圆柱面上的螺线形线圈叫做螺线管.根据毕奥沙伐尔定律(载流导线在空间谋得点 磁感应强度B 史和磁场的迭加原理，可求得通有电流的长直螺线管轴线上某点4 r3的磁感应强度为B 一 0nI (cos i cos 2)2当螺线管半径远小于其长度时，螺线管可看作无限长的，对于管的中部，则上式中1 0,2 ，则得 BnI。若在螺线管的一端，则0nI式中：0 410 7 N / A2 ； n为螺线管单位长度的匝数；I的单位为安培，则磁感应强度B的单位为T (特斯拉，即N (A m) 1 )o.三、实验仪器：TH- H型霍尔效应实验组合仪等。实验装置简介：TH- H型霍尔
7、效应实验组合仪由实验仪和测试仪两大部分组成。实验组合仪如下图所示。1 .电磁铁规格为 3.00KGS/A,磁铁线包的引线有星标者为头（见实验仪上图示），线包绕向为顺时针（操作者面对实验仪），根据线包绕向及励磁电流IM流向，可确定磁感应强度 B的方向，而B的大小与Im的关系由生产厂家给定并表明在线包上。2 .长直螺线管长度L 28cm,单位长度的线圈匝数 N （匝/米）标注在实验仪上。3 .样品和样品架样品材料为N型半导体硅单晶片，样品的几何尺寸如下图所示I.I样品共有三对电极，其中 A, A或C, C用于测量霍尔电压，A, C或A, C用于测量电导；D, E为样品工作电流电极。各电极与双刀转接
8、开关的接线见实验仪上图示说明。样品架具有X, Y调节功能及读数装置，样品放置的方位（操作者面对实验仪）如下图所 示。IACFd t着余元忤样品示意用 厚度12.*|值度 i .4.D, C I -4.04 . Is和Im换向开关Vh和V测量选择开关测试仪如下图所示。(1)两组恒流源“ Is输出”为。10mA样品工作电流源，“ 1M输出”为。1A励磁电流源。两组电流彼 此独立，两路输出电流大小通过Is调节旋钮及IM调节旋钮进行调节，二者均连续可调。其值可通过“测量选择”按键由同一数字电流表进行测量，按键测 IM ,放键测Is。(2)直流数字电压表Vh和V通过切换开关由同一数字电压表进行测量，电压
9、表零位可通过调零电位器进行 调整。当显示器的数字前出现“一”号时，表示被测电压极性为负值。四、实验内容和步骤：.（一）霍尔器件输出特性测量1 .保持励磁电流Im不变（相当于保持磁场不变），研究霍尔片输出电压 UH和工作电流的关 系。2 .保持工作电流Is不变，研究霍尔片输出 U和磁感应强度的关系。3 .由上述测量数据确定材料的霍尔系数RH和霍尔器件的灵敏度 Kho（二）利用霍尔器件测量长直螺线管的磁场分布由U=KHIsB可知，已知霍尔器件的灵敏度 Kh （在仪器上有标识），只要测出Uh,就可以测出 磁感应强度的大小 B。合理选取霍尔器件的工作电流和励磁电流，测绘处长直螺线管内部轴 线上的磁场分
10、布。注：Is不可太大，以免损坏霍尔片五、数据记录：组号：I、测量试样的 VH1s和VHIm曲线，确定样品的霍尔系数(1)保持励磁电流Im (Im=0.500A)不变，将实验仪双刀开关倒向Vh ”，测试仪功能选择置于Vh ”，测绘VH-IS曲线.I S/mAV1/mVV2/mVV3/mVV4/mVVi Ml M MlVH !1 mv4+ B,+ Is-B，+Is-B，-Is+ B,/s1.001.502.002.503.003.504.00(2)、保持霍尔片工作电流Is的值不变(Is=3.00mA),测绘曲线Vh ImI M/AV1/mVV2/mVV3/mVV4/mVVh MM V3 M mv4
11、+ B,+ Is-B,+ Is s-B,-Is s+ B,-Is s0.3000.4000.5000.6000.7000.800励磁线圈参数 K =KGS.A -1霍尔片厚度 d = mm2、测量螺线管轴线上磁场分布霍尔片工作电流Is= mA ,励磁电流Im= A,霍尔元件灵敏度 Kh= mv/mA.KGSXi/cmX2/cmX/cmV1/mVV2/mVV3/mVV4/mVVH/mVB/KGS+ B,+ Is-B,+ Is-B,-Is+ B，-Is0.00.0140.50.013.51.00.01.50.012.52.00.0125.00.098.00.0611.00.0314.000.001
12、4.003.0-314.006.0-614.009.0-914.0012.0-1214.0012.5-1314.0013.0-1314.0013.5-1414.0014.0-14六、数据处理：1、绘出的VH IS和V|一I M曲线。2、计算霍尔系数。3、绘出螺线管磁场分布曲线七、实验结论与讨论：八：问答题1、若磁场与霍尔元件薄片不垂直，能否准确测出磁场？2、霍尔效应有那些应用，请通过阅读相关资料列举其中一种.指导教师批阅意见：成绩评定：预习（20 分）操作及记录（40 分）数据处理 （20 分）结果分析 （10 分）思考题 （10 分）报告整体 印象总分注：1、报告内的项目或内容设置，可根据实际情况加以调整和补充。
