答辩-大学普物实验-霍尔效应与应用设计

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1、霍尔效应与应用设计【汇报人】梅希彤【所属班级】严济慈物理学英才班【汇报时间】2016年4月11日1华中科技大学·物理实验答辩2目录1实验原理与实验方法2实验器材与实验步骤3实验结果记录与分析4实验结论与延伸讨论5实验小结与参考文献3实验原理与实验方法1.1霍尔效应HallEffect载流体置于垂向分量非零磁场中，运动带电粒子受洛仑兹力作用而偏转。囿于固体材料，导致在垂直电流及磁场方向电荷聚积，形成横向电场。当载流子所受横电场力与洛仑兹力相等，即达到平衡，有。称霍尔电场，为载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽度为b，厚度为d，载流子浓度为n，则。图1.霍尔效应原理示意图，a）为

2、N型（电子）b）为P型（孔穴）fefmv-eEHA/ABCISVmA+eEHfefmvIS4实验原理与实验方法1.1霍尔效应HallEffect由与有（考虑载流子的速度统计分布，需引入3π/8的修正因子。）比例系数=1/ne称霍尔系数。可用于：1.判断载流子种类；2.由求n；3.电导率σ与载流子浓度n及迁移率μ有σ=neμ即，测出σ值即可求μ。（σ可由在零磁场下，测量B、C电极间的电位差，由下式求得：。）霍尔器件厚度一定，常用来表示器件的灵敏度，称霍尔灵敏度，单位为mV/(mA·T)。B05实验原理与实验方法1.2几个系统误差及其消除：背景磁场通常环境背景磁场主要为地磁场而不随时间变

3、化，因而易于消去。可以几次改变实验设置的朝向来对称地消除。背景磁场数量级小（0.05mT左右），一般可以忽略。如果周遭有强磁场乃至交变强磁场时，应该更换实验室。此外，霍尔效应伴随多种与热相关的副效应，测得的霍尔电极A、A´之间的电压实为与各副效应电压的叠加值：·不等势电压降∝d·Ettingshausen（爱廷豪森）-热电效应引起的附加电压∝Is·B·Nernst(能斯特)—热磁效应直接引起的附加电压∝Q·B·Righi-leduc(里纪—勒杜克)—热磁效应产生的温差引起的附加电压∝S·BV06实验原理与实验方法1.2几个系统误差及其消除：不等势电压降∝d由于测量霍尔电压的A、A´两

4、电极不可能绝对对称地焊在霍尔片的两侧，位置不在一理想的等势面上，即使不加磁场，只要有电流通过，即有电压＝·r，其中r为A、A´所在的两等势面之间电阻。在测量时，叠加，使得值偏大（当与同号）或偏小（当与异号）。的符号取决于和B两者的方向，而只与方向有关，而与磁感应强度B方向无关，因此可以通过改变的方向予以消除；VE7实验原理与实验方法1.2Ettingshausen-热电效应附加电压∝·BIs载流子迁移速率存在统计分布，霍耳电压达稳定值时，若速度为v的载流子所受洛仑兹力与霍尔电场力刚好抵消，则速度小于/大于v的载流子受到的洛仑磁力小于/大于霍尔电场的作用力，将向霍尔电场作用力/洛伦兹力

5、方向偏转，而速度大的载流子会聚集在半导体材料的一侧,温度较高；而速度小的载流子聚集在另侧,温度较低。由于测量电极和半导体两者材料不同,电极和半导体之间形成温差电偶,这一温差产生温差电动势,而产生电势差，此为Ettingshausen（爱庭豪森）效应。效应建立需要时间，采用直流电则由于该效应的存在而给霍尔电压的测量带来误差，如果采用交流电，则由于交流变化快使得该效应未及“建立”，可减小测量误差。由于的大小和正负号与、B的大小和方向有关,跟与、B的关系相同,所以不能在测量中用改变和B方向的方法消除，但其引入的误差小，可以忽略；8实验原理与实验方法1.2Nernst—热磁效应引起附加电压∝

6、Q·BVN接触电阻不完全相同。当工作电流通过不同接触电阻时会产生不同的焦耳热,并因温差产生一个温差电动势,此电动势又产生温差电流Q(称为热电流),在磁场的作用下偏转,在Y方向产生附加电势差VN，这就是Nernst效应。而，VN的符号只与B的方向有关，与VN的方向无关，可通过改变B的方向予以消除；9实验原理与实验方法1.2Righi-leduc热磁效应温差附加电压∝S·BVRL因载流子的速度统计分布，由Nernst效应产生的X方向热扩散电热电流也有Ettingshausen效应，在Z的方向磁场B作用下，将在Y方向产生温度梯度´，此温差在Y方向产生附加温差电动势VRL。VRL的符号只与B

7、的方向有关，亦能消除。10实验原理与实验方法1.2对称测量法实验中测得的A、A´之间的电压除VH外还包含V0、VN、VRL和VE各电压的代数和，其中V0、VN和VRL均通过改变Is和B方向的方法予以消除。具体方法是在规定了电流和磁场正、反方向后，分别测量由下列四组不同方向的IS和B的组合的A、A´之间的电压。当（+Is、+B）时V1=VH+V0+VN+VRL+VE当（+Is、-B）时V2=-VH+V0-VN-VRL-VE当（-Is、-B）时V3=VH-V0