太原理工大學(xué)大物實驗-霍爾效應(yīng)

《太原理工大學(xué)大物實驗-霍爾效應(yīng)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《太原理工大學(xué)大物實驗-霍爾效應(yīng)（46頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、霍 爾 效 應(yīng) 及 磁 場 的 測 量太 原 理 工 大 學(xué) 理 學(xué) 院 物 理 與 光 電 工 程 系物 理 實 驗 中 心 Edwin Hall（ 1855 1938） 霍 爾 效 應(yīng) 是 霍 爾 (Hall)24歲 時 在 美 國 霍 普 金 斯 大 學(xué) 研 究 生 期間 ， 研 究 關(guān) 于 載 流 導(dǎo) 體 在 磁 場 中 的受 力 性 質(zhì) 時 發(fā) 現(xiàn) 的 一 種 現(xiàn) 象 。 在 長 方 形 導(dǎo) 體 薄 板 上 通 以電 流 ， 沿 電 流 的 垂 直 方 向 施 加 磁 場 ，就 會 在 與 電 流 和 磁 場 兩 者 垂 直 的 方向 上 產(chǎn) 生 電 勢 差 ， 這 種 現(xiàn) 象 稱

2、為 霍爾 效 應(yīng) ， 所 產(chǎn) 生 的 電 勢 差 稱 為 霍 爾電 壓 。 背景介紹霍 爾 效 應(yīng) 量 子 霍 爾 效 應(yīng) 按 經(jīng) 典 霍 爾 效 應(yīng) 理 論 ， 霍 爾 電 阻RH=B/nqd ,B連 續(xù) 變 化 并 隨 著 n（ 載 流子 濃 度 ） 增 大 而 減 小 。 但 是 ， 在 霍 爾 效應(yīng) 發(fā) 現(xiàn) 100年 后 ， 1980年 ,德 國 物 理 學(xué) 家克 利 青 (Klaus von Klitzing)在 研 究 極低 溫 和 強 磁 場 中 的 半 導(dǎo) 體 時 ， 發(fā) 現(xiàn) 在 低溫 條 件 下 半 導(dǎo) 體 硅 的 霍 爾 效 應(yīng) 不 是 常 規(guī)的 那 種 直 線 ， 而 是

3、 RH隨 著 磁 場 強 度 B呈跳 躍 性 的 變 化 ， 這 種 跳 躍 的 階 梯 大 小 由被 整 數(shù) 除 的 基 本 物 理 常 數(shù) 所 決 定 。這 是 當(dāng) 代 凝 聚 態(tài) 物 理 學(xué) 令 人 驚 異 的 進 展之 一 ， 這 在 后 來 被 稱 為 整 數(shù) 量 子 霍 爾 效應(yīng) 。 由 于 這 個 發(fā) 現(xiàn) ， 克 利 青 在 1985年 獲 得 了 諾 貝 爾 物 理 獎 。背景介紹 分 數(shù) 量 子 霍 爾 效 應(yīng)背景介紹崔 琦 Robert LaughlinHorst Stormer 構(gòu) 造 出 了 分 數(shù) 量 子 霍 爾 系 統(tǒng) 的 解析 波 函 數(shù) ， 給 分 數(shù) 量 子

4、霍 爾 效 應(yīng) 作 出 了 理 論 解 釋1998年 的 諾 貝 爾 物 理 學(xué) 獎在 量 子 霍 爾 效 應(yīng) 家 族 里 ， 至 此 仍 未 被 發(fā) 現(xiàn) 的 效 應(yīng) 是 “ 量 子 反 常 霍 爾 效應(yīng) ” 不 需 要 外 加 磁 場 的 量 子 霍 爾 效 應(yīng) 。 用 高 純 度 半 導(dǎo) 體 材 料 ， 在超 低 溫 環(huán) 境 ， 超 強 磁 場 條 件 下 研究 量 子 霍 爾 效 應(yīng) 時 發(fā) 現(xiàn) 了 也呈 現(xiàn) 出 平 臺 現(xiàn) 象 ， 但 極 為 不 同 是， 這 些 平 臺 對 應(yīng) 的 不 是 原 來 量 子霍 爾 效 應(yīng) 的 整 數(shù) 倍 ， 而 是 分 數(shù) 值， 被 稱 為 分 數(shù) 量

5、 子 霍 爾 效 應(yīng) ， 這個 發(fā) 現(xiàn) 使 人 們 對 量 子 現(xiàn) 象 的 認 識更 進 一 步 。 如 今 由 清 華 大 學(xué) 薛 其 坤 院 士 領(lǐng) 銜 ， 清 華 大 學(xué) 、 中 科 院物 理 所 和 斯 坦 福 大 學(xué) 研 究 人 員 聯(lián) 合 組 成 的 團 隊 歷 時 4年 在量 子 反 常 霍 爾 效 應(yīng) 研 究 中 取 得 重 大 突 破 ， 在 美 國 物 理 學(xué) 家霍 爾 1880年 發(fā) 現(xiàn) 反 常 霍 爾 效 應(yīng) 133年 后 ， 他 們 從 實 驗 中首 次 觀 測 到 量 子 反 常 霍 爾 效 應(yīng) ， 這 是 中 國 科 學(xué) 家 從 實 驗 中獨 立 觀 測 到 的

6、一 個 重 要 物 理 現(xiàn) 象 ， 也 是 物 理 學(xué) 領(lǐng) 域 基 礎(chǔ) 研究 的 一 項 重 要 科 學(xué) 發(fā) 現(xiàn) 。 這 一 發(fā) 現(xiàn) 是 相 關(guān) 領(lǐng) 域 的 重 大 突 破， 也 是 世 界 基 礎(chǔ) 研 究 領(lǐng) 域 的 一 項 重 要 科 學(xué) 發(fā) 現(xiàn) 。 這 一 發(fā) 現(xiàn)或 將 對 信 息 技 術(shù) 進 步 產(chǎn) 生 重 大 影 響 。背景介紹量 子 反 常 霍 爾 效 應(yīng) 霍 爾 效 應(yīng) 應(yīng) 被 發(fā) 現(xiàn) 100多 年 以 來 ,它 的 應(yīng) 用 發(fā) 展 經(jīng) 歷 了 三 個 階 段 ： 第 一 階 段 ： 從 霍 爾 效 應(yīng) 的 發(fā) 現(xiàn) 到 20世 紀(jì) 40年 代 前 期 。 最 初 由 于 金 屬

7、材 料 中的 電 子 濃 度 很 大 而 霍 爾 效 應(yīng) 十 分 微 弱 所 以 沒 有 引 起 人 們 的 重 視 。 這 段 時 期 也有 人 利 用 霍 爾 效 應(yīng) 霍 爾 效 制 成 磁 場 傳 感 器 ， 但 實 用 價 值 不 大 ,到 了 1910年 有人 用 金 屬 鉍 制 成 霍 爾 元 件 ， 作 為 磁 場 傳 感 器 。 但 是 ， 由 于 當(dāng) 時 未 找 到 更 合 適的 材 料 ， 研 究 處 于 停 頓 狀 態(tài) 。 第 二 階 段 ： 從 20世 紀(jì) 40年 代 中 期 半 導(dǎo) 體 技 術(shù) 出 現(xiàn) 之 后 ， 隨 著 半 導(dǎo) 體 材 料 、制 造 工 藝 和 技

8、術(shù) 的 應(yīng) 用 ， 出 現(xiàn) 了 各 種 半 導(dǎo) 體 霍 爾 元 件 ， 特 別 是 鍺 的 采 用 推 動了 霍 爾 元 件 的 發(fā) 展 ， 相 繼 出 現(xiàn) 了 采 用 分 立 霍 爾 元 件 制 造 的 各 種 磁 場 傳 感 器 。 第 三 階 段 ； 自 20世 紀(jì) 60年 代 開 始 ， ,隨 著 集 成 電 路 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 出 現(xiàn) 了 將 霍爾 半 導(dǎo) 體 元 件 和 相 關(guān) 的 信 號 調(diào) 節(jié) 電 路 集 成 在 一 起 的 霍 爾 傳 感 器 。 進 入 20世 紀(jì)80年 代 ， 隨 著 大 規(guī) 模 超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 和 微 機 械 加 工 技 術(shù) 的

9、進 展 ， 霍 爾 元 件從 平 面 向 三 維 方 向 發(fā) 展 ， 出 現(xiàn) 了 三 端 口 或 四 端 口 固 態(tài) 霍 爾 傳 感 器 ， 實 現(xiàn) 了 產(chǎn) 品 的 系 列 化 、 加 工 的 批 量 化 、 體 積 的 微 型 化 。 霍 爾 集 成 電 路 出 現(xiàn) 以 后 ， 很 快廣 泛 應(yīng) 用 于 電 磁 測 量 ， 非 電 量 測 量 ， 自 動 控 制 ， 計 算 與 通 訊 裝 置 。 背景介紹霍 爾 效 應(yīng) -應(yīng) 用 發(fā) 展 1、 測 量 載 流 子 濃 度 根 據(jù) 霍 爾 電 壓 產(chǎn) 生 的 公 式 ， 以 及 在 外 加 磁 場 中 測 量 的 霍 爾 電 壓 可以 判 斷

10、 傳 導(dǎo) 載 流 子 的 極 性 與 濃 度 ， 這 種 方 式 被 廣 泛 的 利 用 于 半 導(dǎo) 體 中摻 雜 載 體 的 性 質(zhì) 與 濃 度 的 測 量 上 。2、 霍 爾 效 應(yīng) 測 量 磁 場 在 工 業(yè) 、 國 防 和 科 學(xué) 研 究 中 ， 例 如 在 粒 子 回 旋 器 、 受 控 熱 核 反應(yīng) 、 同 位 素 分 離 、 地 球 資 源 探 測 、 地 震 預(yù) 報 和 磁 性 材 料 研 究 等 方 面 ，經(jīng) 常 要 對 磁 場 進 行 測 量 ， 測 量 磁 場 的 方 法 主 要 有 核 磁 共 振 法 、 霍 爾 效應(yīng) 法 和 感 應(yīng) 法 等 。 具 體 采 用 什 么

11、 方 法 ， 要 由 被 測 磁 場 的 類 型 和 強 弱 來確 定 。 利 用 霍 爾 效 應(yīng) 可 以 制 造 精 確 的 測 量 磁 感 應(yīng) 強 度 的 儀 器 高 斯 計， 它 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 探 頭 體 積 小 、 測 量 快 和 直 接 連 續(xù) 讀 數(shù) 等 優(yōu) 點 ， 特別 適 合 于 測 量 只 有 幾 個 毫 米 的 磁 極 間 的 磁 場 ， 缺 點 是 測 量 結(jié) 果 受 溫 度 的 影 響 較 大 。 霍爾效應(yīng)的應(yīng)用 3、 電 磁 無 損 探 傷 霍 爾 效 應(yīng) 無 損 探 傷 方 法 安 全 、 可 靠 、 實 用 ， 并 能 實 現(xiàn) 無 速 度 影響 檢

12、測 ， 因 此 ， 被 應(yīng) 用 在 設(shè) 備 故 障 診 斷 、 材 料 缺 陷 檢 測 之 中 。 其 探 傷原 理 是 建 立 在 鐵 磁 性 材 料 的 高 磁 導(dǎo) 率 特 性 之 上 。 采 用 霍 爾 元 件 檢 測 該泄 漏 磁 場 B的 信 號 變 化 ， 可 以 有 效 地 檢 測 出 缺 陷 存 在 。 鋼 絲 繩 作 為 起重 、 運 輸 、 提 升 及 承 載 設(shè) 備 中 的 重 要 構(gòu) 件 ， 被 應(yīng) 用 于 礦 山 、 運 輸 、 建筑 、 旅 游 等 行 業(yè) ， 但 由 于 長 期 使 用 ， 在 它 表 面 會 產(chǎn) 生 斷 絲 、 磨 損 等 各種 缺 陷 ， 所

13、以 ， 及 時 對 鋼 絲 繩 探 傷 檢 測 顯 得 尤 為 重 要 。 目 前 ， 國 內(nèi) 外公 認 的 最 可 靠 、 最 實 用 的 方 法 就 是 漏 磁 檢 測 方 法 ， 根 據(jù) 這 一 檢 測 方 法設(shè) 計 的 斷 絲 探 傷 檢 測 裝 置 ， 如 EMTC 系 列 鋼 絲 繩 無 損 檢 測 儀 ， 其 金屬 截 面 積 測 量 精 度 為 0.2 ， 一 個 捻 距 內(nèi) 斷 絲 有 一 根 誤 判 時 準(zhǔn) 確 率90 ， 性 能 良 好 ， 在 生 產(chǎn) 中 有 著 廣 泛 的 用 途 。 4、 現(xiàn) 代 汽 車 工 業(yè) 上 應(yīng) 用 汽 車 上 廣 泛 應(yīng) 用 的 霍 爾 器

14、 件 就 包 括 ： 信 號 傳 感 器 、ABS系 統(tǒng) 中 的 速 度 傳 感 器 、 汽 車 速 度 表 和 里 程 表 、 液 體物 理 量 檢 測 器 、 各 種 用 電 負 載 的 電 流 檢 測 及 工 作 狀 態(tài) 診斷 、 發(fā) 動 機 轉(zhuǎn) 速 及 曲 軸 角 度 傳 感 器 、 各 種 開 關(guān) 等 。 例 如 用 在 汽 車 開 關(guān) 電 路 上 的 功 率 霍 爾 電 路 ， 具 有抑 制 電 磁 干 擾 的 作 用 。 因 為 汽 車 的 自 動 化 程 度 越 高 ， 微電 子 電 路 越 多 ， 就 越 怕 電 磁 干 擾 。 而 汽 車 上 有 許 多 燈 具和 電 器

15、件 在 開 關(guān) 時 會 產(chǎn) 生 浪 涌 電 流 ， 使 機 械 式 開 關(guān) 觸 點產(chǎn) 生 電 弧 ， 產(chǎn) 生 較 大 的 電 磁 干 擾 信 號 。 采 用 功 率 霍 爾 開關(guān) 電 路 就 可 以 減 小 這 些 現(xiàn) 象 。 中 國 科 學(xué) 家 發(fā) 現(xiàn) 的 量 子 反 常 霍 爾 效 應(yīng) 也 具 有 極 高 的 應(yīng)用 前 景 。 量 子 霍 爾 效 應(yīng) 的 產(chǎn) 生 需 要 用 到 非 常 強 的 磁 場。 而 量 子 反 常 霍 爾 效 應(yīng) 與 普 通 的 霍 爾 效 應(yīng) 在 本 質(zhì) 上 完全 不 同 ， 量 子 反 常 霍 爾 電 導(dǎo) 是 由 于 材 料 本 身 的 自 發(fā) 磁化 而 產(chǎn)

16、生 的 。 實 現(xiàn) 了 零 磁 場 中 的 量 子 霍 爾 效 應(yīng) ， 就 有可 能 利 用 其 無 耗 散 的 邊 緣 態(tài) 發(fā) 展 新 一 代 的 低 能 耗 晶 體管 和 電 子 學(xué) 器 件 ， 從 而 解 決 電 腦 發(fā) 熱 問 題 和 摩 爾 定 律的 瓶 頸 問 題 。 這 些 效 應(yīng) 可 能 在 未 來 電 子 器 件 中 發(fā) 揮 特殊 作 用 ： 無 需 高 強 磁 場 ， 就 可 以 制 備 低 能 耗 的 高 速 電子 器 件 ， 例 如 極 低 能 耗 的 芯 片 ， 進 而 可 能 促 成 高 容 量的 全 拓 撲 量 子 計 算 機 的 誕 生 這 意 味 著 個 人

17、電 腦 未來 可 能 得 以 更 新 換 代 。 實 驗 目 的 ：1、 驗 證 霍 爾 傳 感 器 輸 出 電 勢 差 與 螺 線 管 內(nèi) 的 磁 感 應(yīng) 強 度 成正 比 。2、 測 量 集 成 線 性 霍 爾 傳 感 器 的 靈 敏 度 。3、 測 量 螺 線 管 內(nèi) 磁 感 應(yīng) 強 度 與 位 置 之 間 的 關(guān) 系 ， 求 得 螺 線管 均 勻 磁 場 范 圍 及 邊 緣 的 磁 感 應(yīng) 強 度 。4、 學(xué) 習(xí) 補 償 原 理 在 磁 場 測 量 中 的 應(yīng) 用 。 實驗原理u現(xiàn) 象 霍 爾 效 應(yīng) 在 長 方 形 導(dǎo) 體 薄 板 上 通以 電 流 ， 沿 電 流 的 垂 直 方 向

18、施 加 磁 場 ， 就 會 在 與 電 流 和磁 場 兩 者 垂 直 的 方 向 上 產(chǎn) 生電 勢 差 ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 霍 爾效 應(yīng) ， 所 產(chǎn) 生 的 電 勢 差 稱 為霍 爾 電 壓 。 若 用 一 塊 如 圖 所 示 的 N型 半 導(dǎo) 體 試 樣 （ 導(dǎo) 電 的 載 流 子 是 電 子 ）設(shè) 試 樣 的 長 度 為 L 、 寬 度 為 b ， 厚 度 為 d ， 若 在 x 方 向 通 過電 流 IS ， 電 子 電 荷 以 速 度 V 向 左 運 動 。 若 電 子 的 電 荷 量為 e ， 自 由 電 子 濃度 為 n ， 則 若 在 Z 軸 方 向 加 上 恒 定 的

19、磁 場 B ， 電 子 電 荷 在 沿 X 軸 負 方向 運 動 時 將 受 到 洛 倫 茲 力 的 作 用 ， 洛 倫 茲 力 用 f B 表 示 ：SI envbd （ 1）B Bf ev （ 2） efBfSI SIvb d l+ + + + + + + + u理 論 分 析 由 于 洛 倫 茲 力 的 作 用 ， 使 得 電 子 將 沿 的 方 向 向 下 側(cè) 偏移 （ 即 軸 的 負 方 向 ） ， 這 樣 就 引 起 了 側(cè) 電 子 的 積 累 ， 側(cè) 正 電 荷 的 積 累 ， 從 而 使 兩 側(cè) 出 現(xiàn) 電 勢 差 ， 且 點 高 于 點 ， 所 以 在 試 樣 中 形 成 了

20、 橫 向 電 場 ， 這 一 電 場 就 稱 為 霍爾 電 場 。 該 電 場 又 對 電 子 具 有 反 方 向 的 靜 電 力 。 （ 3） （ 此 力 方 向 向 上 ）BfHEe Hf eE 電 子 受 到 電 場 力 和 磁 場 力 的 作 用 ， 一 方 面 使 電子 向 下 偏 移 ， 另 一 方 面 電 子 又 受 到 向 上 的 阻 礙 電 子 向 下 偏 移的 力 。 由 于 這 兩 個 力 的 作 用 所 以 電 子 在 半 導(dǎo) 體 試 樣 側(cè) 面 的 積累 不 會 無 限 止 地 進 行 下 去 ： 在 開 始 階 段 ， 電 場 力 比 磁 場 力 小 ，電 荷 繼

21、續(xù) 向 側(cè) 面 積 累 ， 隨 著 積 累 電 荷 的 增 加 ， 電 場 力 不 斷 增加 ， 直 到 電 子 所 受 的 電 場 力 和 磁 場 力 相 等 ， 即 時 ，電 子 不 再 橫 向 漂 移 ， 結(jié) 果 在 、 兩 面 形 成 恒 定 的 電 勢 差 叫霍 爾 電 勢 差 。 ef B ef fHU y S PP S P SBf B ef f 即 （ 4） （ 5） （ 6） （ 7） HB Eev eHE Bv由 固 體 物 理 理 論 可 以 證 明 金 屬 的 霍 爾 系 數(shù) 為SH P S H I BU V V E b vBb ned 1 HR ne HR式 中 為 載

22、 流 子 濃 度 ， 為 載 流 子 所 帶 的 電 量 。 是 一 常 量 ， 僅 與 導(dǎo) 體 材 料 有 關(guān) ， 它 是 反 映 材 料 霍爾 效 應(yīng) 強 弱 的 重 要 參 數(shù) en 1HH RK d ned H H SU K I B SH H I BU R d由 （ 6） （ 7） 式 得由 此 可 以 定 義 霍 爾 元 件 的 靈 敏 度 （ 8）（ 9）（ 10） 可 見 ， 只 要 測 出 霍 爾 電 勢 差 和 工 作 電 流 ， 就 可 以 求 出 磁感 應(yīng) 強 度 。 當(dāng) 給 定 ， 改 變 時 可 得 到 ， 呈 線 性 關(guān) 系 ， 直線 斜 率 就 是 。 由 公 式

23、 （ 9） 可 求 得 HU SI SI HU H SU IHK B HRBB 由 可 以 確 定 以 下 參 數(shù) ： 導(dǎo) 電 類 型 如 圖 ： 由 于 運 動 電 荷 受 到 洛 倫 茲 力 的 作 用 ， 使 其 S側(cè) 積 累 負 電 荷 ， P側(cè) 積累 正 電 荷 ， 因 此 電 勢 差 是 P點 高 于 S點 ， 則 為 N型 半導(dǎo) 體 。 0HU 0HR HR SI SIv efBf p型 半 導(dǎo) 體 導(dǎo) 電 載 流 子 為 空 穴 ， 空 穴 相 當(dāng) 于 帶 正 電 的 粒 子 ， 帶 正電 粒 子 其 運 動 方 向 和 電 流 運 動 方 向 相 同 ， 如 圖 所 示 ：

24、0HU 0HR 帶 正 電 的 粒 子 在 洛 倫 茲 力 作 用 下 ， 其 正 電 荷 向 下 偏 移 ， 上 側(cè) 積 累 了負 電 荷 ， 形 成 下 高 上 低 的 電 勢 差 。 這 時 ， 則 ， 所 以 是 p型 半 導(dǎo) 體 。 vSI SIefBf 求 載 流 子 濃 度 （ 11） 這 個 關(guān) 系 式 是 假 定 所 有 的 載 流 子 都 具 有 相 同 的 漂 移 速 度 得 到 的 ， 但 是 嚴(yán)格 說 來 ， 考 慮 載 流 子 的 速 度 統(tǒng) 計 分 布 ， 霍 爾 系 數(shù) 表 達 式 中 應(yīng) 當(dāng) 乘 以 一 個 修 正因 子 3/8 ： （ 12） 1Hn R e

25、 3 18 .HR ne 由 以 上 討 論 可 知 ， 霍 爾 電 壓 與 載 流 子 濃 度 成 反 比 ， 即 導(dǎo) 電 材 料 的 載 流子 濃 度 越 大 ， 霍 爾 系 數(shù) 就 越 小 ， 霍 爾 電 勢 差 就 越 小 ， 一 般 金 屬 中 的 載流 子 是 自 由 電 子 ， 其 濃 度 很 大 (大 約 )， 所 以 金 屬 材 料 的 霍 爾 系 數(shù) 很 小 ， 霍爾 效 應(yīng) 不 顯 著 。 半 導(dǎo) 體 材 料 的 載 流 子 濃 度 要 比 金 屬 小 得 多 ， 能 夠 產(chǎn) 生 較 大 的 霍爾 電 勢 差 ， 所 以 霍 爾 片 要 用 半 導(dǎo) 體 材 料 做 成 ，

26、 而 不 用 金 屬 材 料 做 霍 爾 片 。 另 外 載 流 子 濃 度 的 大 小 受 溫 度 的 影 響 較 大 ， 所 以 要 注 意 消 除 溫 度 的 影 響 。 還 有 ， 霍 爾 電 壓 與 通 過 霍 爾 片 的 工 作 電 流 和 電 荷 所 受 的 磁 場 的 乘 積 成正 比 ， 與 霍 爾 片 厚 度 成 反 比 ， 霍 爾 片 厚 度 越 小 ， 霍 爾 電 動 勢 就 越 大 ， 所 以制 作 霍 爾 片 時 往 往 采 用 減 小 的 辦 法 來 增 加 霍 爾 電 動 勢 ， 從 而 提 高 靈 敏 度 。nHUn HUHRHU Bd 22 310 cm d

27、d 埃 廷 斯 豪 森 效 應(yīng) 霍爾效應(yīng)中的負效應(yīng)由 于 材 料 中 載 流 子 的 速 度 不同 ， 電 子 實 際 上 并 非 以 同 一速 度 v 沿 X軸 負 向 運 動 ， 速 度大 的 電 子 回 轉(zhuǎn) 半 徑 大 ， 能 較快 地 到 達 接 點 3的 側(cè) 面 ， 從 而導(dǎo) 致 3側(cè) 面 較 4側(cè) 面 集 中 較 多能 量 高 的 電 子 ， 結(jié) 果 3、 4側(cè)面 出 現(xiàn) 溫 差 ， 產(chǎn) 生 溫 差 電 動勢 Ve 。 容 易 理 解 Ve的 正 負與 I和 B的 方 向 有 關(guān) 。 。 能 斯 特 效 應(yīng) 霍爾效應(yīng)中的負效應(yīng)焊 點 1 、 2 間 接 觸 電 阻 可 能不 同 ，

28、 通 電 發(fā) 熱 程 度 不 同， 故 1 、 2 兩 點 間 溫 度 可 能不 同 ， 于 是 引 起 熱 擴 散 電流 。 與 霍 爾 效 應(yīng) 類 似 ， 該熱 流 也 會 在 3 、 4 點 間 形 成電 勢 差 Vn。 若 只 考 慮 接 觸電 阻 的 差 異 ， 則 N的 方向 僅 與 B的 方 向 有 關(guān) 。 里 吉 -勒 迪 克 效 應(yīng) 霍爾效應(yīng)中的負效應(yīng)在 能 斯 特 效 應(yīng) 的 熱 擴散 電 流 的 載 流 子 由 于速 度 不 同 ， 一 樣 具 有厄 廷 豪 森 效 應(yīng) ， 又 會在 3 、 4 點 間 形 成 溫 差電 動 勢 Ve。 Ve的 正負 僅 與 B的 方 向

29、 有 關(guān)， 而 與 I的 方 向 無 關(guān)。 不 等 位 效 應(yīng) 制 備 霍 爾 樣 品 時 ,由 于 制 造上 困 難 及 材 料 的 不 均 勻 性 ，3、 4兩 點 實 際 上 不 可 能 在同 一 條 等 勢 線 上 。 因 此 ，即 使 未 加 磁 場 ， 當(dāng) I流 過 時 ，3、 4兩 點 也 會 出 現(xiàn) 電 勢 差Vo。 Vo的 正 負 只 與 電 流 方向 I有 關(guān) ， 而 與 B的 方 向 無關(guān) 霍爾效應(yīng)中的負效應(yīng) 霍爾效應(yīng)中負效應(yīng)的消除u埃 廷 斯 豪 森 效 應(yīng) E 方 向 與 I和 方 向 有 關(guān) 。u能 斯 特 效 應(yīng) N方 向 只 與 方 向 有 關(guān) 。u里 吉 -勒

30、 迪 克 效 應(yīng) 的 方 向 只 與 的 方 向 有 關(guān)u不 等 位 效 應(yīng) U0的 方 向 只 與 I的 方 向 有 關(guān) 。負 效 應(yīng) 的 消 除 ： 改 變 I和 B的 方 向 ， 即 對 稱 測 量 法 。+B,+I, 測 得 電 壓 U1=UH+UE+UN+URL+U0+B,-I, 測 得 電 壓 U 2=-UH-UE+UN+URL-U0-B,-I, 測 得 電 壓 U3=UH+UE-UN-URL-U0-B,+I, 測 得 電 壓 U4=-UH-UE-UN-URL+U0UH=（ U1-U2+U3-U4)/4-UE 忽 略 UE 則 UH=（ |U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4

31、 本 實 驗 采 用 FD-ICH-II新 型 教 學(xué) 儀 器 該 儀 器 采 用 先進 的 集 成 線 性 霍 爾 元 件 制 成 的 霍 爾 傳 感 器 內(nèi) 含 激 光 修 正 隔膜 電 阻 ， 提 供 精 確 的 靈 敏 度 和 溫 度 補 償 ， 不 必 考 慮 剩 余 電壓 影 響 ， 解 決 了 一 般 霍 爾 元 件 存 在 的 靈 敏 度 低 ， 剩 余 電 壓干 擾 及 螺 線 管 升 溫 引 起 輸 出 不 穩(wěn) 定 等 不 足 ， 因 而 能 精 確 測量 通 電 螺 線 管 磁 場 分 布 ， 了 解 和 掌 握 集 成 線 性 霍 爾 元 件 測量 磁 場 的 原 理

32、和 方 法 以 及 學(xué) 會 測 量 霍 爾 元 件 靈 敏 度 的 方 法。 實 驗 任 務(wù) 利 用 霍 爾 效 應(yīng) 測 量 螺 線 管 內(nèi) 軸 線 上 磁 感 應(yīng) 強 度 的 分 布 .完 成 這 一 實 驗 任 務(wù) ， 必 須 做 以 下 工 作 ：儀 器 調(diào) 節(jié) (將 儀 器 調(diào) 節(jié) 到 標(biāo) 準(zhǔn) 工 作 狀 態(tài) ).儀 器 標(biāo) 定 (確 定 霍 爾 電 壓 與 磁 感 應(yīng) 強 度 的 關(guān) 系 ).測 量 通 電 螺 線 管 內(nèi) 軸 線 上 磁 感 應(yīng) 強 度 的 分 布 . 關(guān)鍵提示本 實 驗 關(guān) 鍵 點 如 下 ：1.接 線2.調(diào) 標(biāo) 準(zhǔn) 工 作 狀 態(tài)3.定 標(biāo) ： 固 定 位 置

33、、 改 變 勵 磁 電 流4.測 量 ： 固 定 勵 磁 電 流 、 改 變 位 置請 按 以 上 關(guān) 鍵 點 閱 讀 以 下 材 料 。 實驗裝置FD-ICH-II型 螺 線 管 磁 場 測 定 儀包 括 實 驗 主 機 、 集 成 霍 耳 傳 感 器 探 測 棒 、 螺 線 管 、 雙 刀 和 單 刀 換 向 開 關(guān) 、 三 芯 電 源 線 及 導(dǎo) 線 若 干 . 實驗裝置電源組和數(shù)字電壓表 實驗裝置集成霍耳傳感器探測棒、螺線管 實驗裝置雙刀和單刀換向開關(guān) 實驗裝置本 實 驗 儀 采 用 SS95A型 集 成 霍 爾 傳 感 器 ， 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 如 圖 ：u在 零 磁 場 條 件 下

34、，調(diào) 節(jié) V+、 V-所 接 的電 源 電 壓 ， 使 輸 出 電壓 為 2.500V時 ， 傳 感器 工 作 電 流 即 為 標(biāo) 準(zhǔn)工 作 電 流 . SHSH IKVIKVB ).( 5002 V為 霍 爾 傳 感 器 輸 出 電 壓標(biāo) 準(zhǔn) 工 作 電 流 下 磁 場 與 霍 爾 元件 輸 出 電 壓 的 關(guān) 系 為 ： u測 量 時 霍 爾 傳 感 器必 須 處 于 標(biāo) 準(zhǔn) 工 作 電流 下 .V+和 V-構(gòu) 成 電流 輸 入 端 Vout和 V-構(gòu) 成電 壓 輸 出 端V 是 用 2.500V外 接 電 壓 補 償 后的 輸 出 值 . 實驗步驟：儀器調(diào)節(jié)連 接 給 螺 線 管 提 供

35、 勵 磁 電 流 的 電 路連 接 給 霍 爾 元 件 提 供 工 作 電 流 (IS)的 電 路 .連 接 輸 出 霍 爾 電 壓 的 電 路 .連 接 外 接 補 償 電 壓 (2.500V)的 電 路 . 詳 見 下 頁 圖 示 . 實驗步驟：儀器調(diào)節(jié)為 螺 線 管 提 供 勵 磁 電流 (流 過 螺 線 管 的 電流 )， 產(chǎn) 生 磁 場 . 外 接 2.500V補 償 電 壓 u注 意 ： V+、 V-不 能 接 反 ， 否 則 將 損 壞 元 件 . 調(diào) 節(jié) 外 接 2.500V補 償 電 壓 調(diào) 節(jié) 霍 爾 元件 工 作 電 流雙 刀 換 向 開 關(guān)K 2用 于 改 變 勵磁 電

36、 流 的 方 向 . 顯 示 勵 磁 電 流 大 小調(diào) 節(jié) 勵磁 電 流集 成 霍 爾 元 件 霍 爾 元 件 位 置 讀 數(shù) 顯 示 霍 爾元 件 輸 出電 壓 .量 程切 換 實驗步驟：儀器調(diào)節(jié) 二 . 將 霍 爾 元 件 的 工 作 電 流 調(diào) 節(jié) 為 標(biāo) 準(zhǔn) 工 作 電 流將 開 關(guān) K1指 向 位 置 1， 調(diào) 節(jié) 4.8V5.2V電 源 輸 出 電 壓 ， 使數(shù) 字 電 壓 表 顯 示 的 “ Vout” 和 “ V-”間 的 電 壓 為 2.500V，此 時 集 成 霍 爾 元 件 達 到 標(biāo) 準(zhǔn) 化 工 作 狀 態(tài) ， 即 流 過 霍 爾 元 件的 電 流 為 標(biāo) 準(zhǔn) 工 作

37、電 流 。斷 開 開 關(guān) K2， 使 集 成 霍 耳 傳 感 器 處 于 零 磁 場 條 件 下 .K2仍 斷 開 ， 保 持 V+和 V-電 壓 不 變 ， 把 開 關(guān) K1指 向 2， 調(diào) 節(jié)2.4V2.6V的 外 接 補 償 電 壓 ， 使 數(shù) 字 電 壓 表 在 mV檔 的 示值 為 0， 即 用 一 個 外 接 2.500V電 位 差 對 傳 感 器 輸 出 的2.500V電 位 差 進 行 補 償 ， 以 便 可 直 接 讀 出 V .三 . 對 傳 感 器 輸 出 的 2.500V電 位 差 進 行 補 償實驗步驟：儀器調(diào)節(jié) 霍 爾 元 件 置 于 螺 線 管 中 央 ， 改 變

38、 勵 磁 電 流 IM (0-500mA) ， 每 隔 50mA測 一 次 ， 測 量 V-IM 關(guān) 系 (測10組 數(shù) 據(jù) ).IM為 螺 線 管 通 電 電 流 用 最 小 二 乘 法 求 出 V-IM， 直 線 的 斜 率 和 相 關(guān) 系 數(shù) r。 K = MVI 實驗內(nèi)容1：霍爾電勢差與磁感應(yīng)強度B的關(guān)系n 方 法 ： 霍 爾 元 件 位 置 固 定 (置 于 螺 線 管 的 中 央 )， 改變 勵 磁 電 流 . 注 意 ： 兩 端 的 磁 場 變 化 快 而 中 間 變 化 慢 ， 測 量 點 在 兩邊 應(yīng) 比 中 間 取 得 密 一 些用 測 得 的 軸 線 上 各 點 的 磁

39、感 應(yīng) 強 度 ， 繪 制 螺 線 管 軸 線 上磁 場 的 分 布 曲 線 . 勵 磁 電 流 為 0時 ， 霍 爾 電壓 總 為 0嗎 ？IM=0時 ， 由 于 地 磁 場 的 存 在 ，VH不 一 定 為 0， 怎 樣 消 除 地 磁場 的 影 響 ？u每 個 點 IM正 、 反 向 各 測 一 次 ， 取 二 者 絕 對 值 的 平 均 值作 為 該 點 的 數(shù) 據(jù) ， 即 可 消 除 地 磁 場 的 影 響 .實驗內(nèi)容2：螺線管軸線磁場分布的測量n 方 法 ： 保 持 勵 磁 電 流 不 變 (250mA)， 改 變 霍 爾 元 件 位 置(030.0cm) ， 測 量 螺 線 管

40、軸 線 上 各 點 的 霍 爾 電 壓 。 實驗數(shù)據(jù)表格靈敏度的測定 表 1 測 量 霍 爾 電 壓 (已 放 大 )與 勵 磁 電 流 IM的 關(guān) 系 (霍 爾 傳 感 器 處 于 螺 線 管 中 央 位 置 ， 即 X=17.0cm處 ) 2mI mI U 實驗數(shù)據(jù)表格通電螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強度分布的測定 X/cm U1/m V U2/mV U/m V B/mT1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 UB= K 實驗數(shù)據(jù)表格通電螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強度分布的測定 X/cm U1/m V U2/mV U

41、/m V B/mT8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 實驗數(shù)表格通電螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強度分布的測定 X/cm U1/m V U2/mV U/m V B/mT23.00 24.00 24.50 25.00 25.50 26.00 26.50 27.00 27.50 28.00 28.50 29.00 29.50 30.00 2、計算集成霍爾元件的靈敏度K0 2 2NB = IL +D m中 心 2 20L +DK= KN 已 知 ： 螺 線 管N=3000匝

42、， L=26.00cm, D=35.0mm(螺 線 管 的 平 均 直 徑 )，真 空 磁 導(dǎo) 率 -70=4 10 /m 實 驗 數(shù) 據(jù) 處 理 實 驗 數(shù) 據(jù) 處 理 3、 確 定 磁 場 均 勻 區(qū) 和 螺 線 管 長 度 根 據(jù) 表 螺 線 管 內(nèi) 軸 線 上 磁 感 應(yīng) 強 度 分 布 曲 線 從 而 定 出 螺 線 管 磁 感 應(yīng) 強 度 B的 均 勻 區(qū) 。 實 驗 完 畢 后 ， 拆 除 接 線 前 應(yīng) 先 將 螺 線 管 工 作 電 流 調(diào) 至 零 ， 再關(guān) 閉 電 源 ， 以 防 止 電 感 電 流 突 變 引 起 高 電 壓 .實 驗 完 畢 后 ， 請 逆 時 針 旋 轉(zhuǎn) 儀 器 上 的 三 個 調(diào) 節(jié) 旋 鈕 ， 使 其 恢復(fù) 到 起 始 位 置 (最 小 的 位 置 ).注意事項儀 器 應(yīng) 預(yù) 熱 10分 鐘 后 測 量 數(shù) 據(jù) . 3、確定磁場均勻區(qū)和螺線管長度螺 線 管 中 心 磁 感 應(yīng) 強 度 值 理 論 ： 0 2 2NB = IL +D m中 心0 0 0B -B 100% 1%B 可 計 算 出 0B 從 而 定 出 螺 線 管 的 均 勻 區(qū) 。 實 驗 數(shù) 據(jù) 處 理