电子测量原理课程设计报告.doc

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1、电子测量原理课程设计报告题目名称：通过霍尔效应测量磁场姓名：陈屹班级：电信051学号：200532285126指导老师：刘向东完成日期：2008-7-16设计题目：通过霍尔效应测量磁场设计目的：通过用霍尔元件测量磁场，判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，以及了解霍尔效应测试中的各种副效应及消除方法。设计仪器：QS-H霍尔效应组合仪，小磁针，测试仪。设计原理：一、通过霍尔效应测量磁场霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向)，当沿y方向的电极A、A’上施加电流I

2、时，薄片内定向移动的载流子(设平均速率为u)受到洛伦兹力FB的作用，FB=quB(1)无论载流子是负电荷还是正电荷，FB的方向均沿着x方向，在磁力的作用下，载流子发生偏移，产生电荷积累，从而在薄片B、B’两侧产生一个电位差VBB’,形成一个电场E。电场使载流子又受到一个与FB方向相反的电场力FE，FE＝qE=qVBB’/b(2)其中b为薄片宽度，FE随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时FE＝FB，即quB=qVBB’/b(3)这时在B、B’两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压称为霍尔电压，电极B、B’称为霍尔电极。另一方面，射载流子浓度为n,

3、薄片厚度为d,则电流强度I与u的关系为：(4)由(3)和(4)可得到(5)令，则(6)R称为霍尔系数，它体现了材料的霍尔效应大小。根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。在应用中，(6)常以如下形式出现：(7)式中称为霍尔元件灵敏度，I称为控制电流。由式(7)可见，若I、KH已知，只要测出霍尔电压VBB’，即可算出磁场B的大小；并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子，P型半导体多数载流子为空穴),则由VBB’的正负可测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。由于霍尔效应建立所需时间很短(10-12~10-14s),因此霍尔元件

4、使用交流电或者直流电都可。指示交流电时，得到的霍尔电压也是交变的，(7)中的I和VBB’应理解为有效值。二、   霍尔效应设计中的副效应在实际应用中，伴随霍尔效应经常存在其他效应。例如实际中载流子迁移速率u服从统计分布规律，速度小的载流子受到的洛伦兹力小于霍尔电场作用力，向霍尔电场作用力方向偏转，速度大的载流子受到磁场作用力大于霍尔电场作用力，向洛伦兹力方向偏转。这样使得一侧告诉载流子较多，相当于温度较高，而另一侧低速载流子较多，相当于温度较低。这种横向温差就是温差电动势VE，这种现象称为爱延豪森效应。这种效应建立需要一定时间，如果采用直流电测

5、量时会因此而给霍尔电压测量带来误差，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延豪森效应来不及建立，可以减小测量误差。此外，在使用霍尔元件时还存在不等位电动势引起的误差，这是因为霍尔电极B、B’不可能绝对对称焊在霍尔片两侧产生的。由于目前生产工艺水平较高，不等位电动势很小，故一般可以忽略，也可以用一个电位器加以平衡(图2.3.1-1中电位器R1)。我们可以通过改变IS和磁场B的方向消除大多数付效应。具体说在规定电流和磁场正反方向后，分别测量下列四组不同方向的IS和B组合的VBB’,即＋B，+IVBB’=V1-B，+IVBB’=-V2-B，-IVBB

6、’=V3＋B，-IVBB’=-V4然后得到霍尔电压平均值，这样虽然不能消除所有的付效应，但其引入的误差不大，可以忽略不计。电导率测量方法如下图所示。设B’C间距离为L，样品横截面积为S=bd，流经样品电流为IS，在零磁场下，测得B’C间电压为VB’C,根据欧姆定律可以求出材料的电导率。v4444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444设计内容： 霍尔效应组合仪包括电磁铁，霍尔样

7、品和样品架，换向开关和接线柱，如下图所示。      测试仪由励磁恒流源IM，样品工作恒流源IS，数字电流表，数字毫伏表等组成，仪器面板如下图：将测试仪上IM输出，IS输出和VH输入三对接线柱分别与设计台上对应接线柱连接。打开测试仪电源开关，预热数分钟后开始设计。1.IM不变，IM＝0.45A，IS取1.00,1.50……,4.50mA，测绘VH-IS曲线，计算RH。2.保持IS不变，取IS＝4.50mA，IM取0.100,0.150……,0.450mA，测绘VH-IM曲线。3.在零磁场下，取IS=0.1mA，测VB’C(即Vd)。4.确定样品

8、导电类型，并求n,μ,s数据记录：设计室数据：σ=5500GS/A，L=3.0mm，b=4.0mm，d=0.5mm(1)Im=.045AIs/mAVH