答辯-大學(xué)普物實(shí)驗(yàn)-霍爾效應(yīng)與應(yīng)用設(shè)計(jì)

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1、霍爾效應(yīng)與應(yīng)用設(shè)計(jì)【匯報(bào)人】梅希彤【所屬班級(jí)】嚴(yán)濟(jì)慈物理學(xué)英才班【匯報(bào)時(shí)間】2016年4月11日1華中科技大學(xué)·物理實(shí)驗(yàn)答辯2目錄1實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法2實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)步驟3實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄與分析4實(shí)驗(yàn)結(jié)論與延伸討論5實(shí)驗(yàn)小結(jié)與參考文獻(xiàn)3實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法1.1霍爾效應(yīng)HallEffect載流體置于垂向分量非零磁場(chǎng)中，運(yùn)動(dòng)帶電粒子受洛侖茲力作用而偏轉(zhuǎn)。囿于固體材料，導(dǎo)致在垂直電流及磁場(chǎng)方向電荷聚積，形成橫向電場(chǎng)。當(dāng)載流子所受橫電場(chǎng)力與洛侖茲力相等，即達(dá)到平衡，有。稱霍爾電場(chǎng)，為載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，則。圖1.霍爾效應(yīng)原理示意圖，a）為

2、N型（電子）b）為P型（孔穴）fefmv-eEHA/ABCISVmA+eEHfefmvIS4實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法1.1霍爾效應(yīng)HallEffect由與有（考慮載流子的速度統(tǒng)計(jì)分布，需引入3π/8的修正因子。）比例系數(shù)=1/ne稱霍爾系數(shù)?？捎糜冢?.判斷載流子種類；2.由求n；3.電導(dǎo)率σ與載流子濃度n及遷移率μ有σ=neμ即，測(cè)出σ值即可求μ。（σ可由在零磁場(chǎng)下，測(cè)量B、C電極間的電位差，由下式求得：。）霍爾器件厚度一定，常用來表示器件的靈敏度，稱霍爾靈敏度，單位為mV/(mA·T)。B05實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法1.2幾個(gè)系統(tǒng)誤差及其消除：背景磁場(chǎng)通常環(huán)境背景磁場(chǎng)主要為地磁場(chǎng)而不隨時(shí)間變

3、化，因而易于消去?？梢詭状胃淖儗?shí)驗(yàn)設(shè)置的朝向來對(duì)稱地消除。背景磁場(chǎng)數(shù)量級(jí)?。?.05mT左右），一般可以忽略。如果周遭有強(qiáng)磁場(chǎng)乃至交變強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)該更換實(shí)驗(yàn)室。此外，霍爾效應(yīng)伴隨多種與熱相關(guān)的副效應(yīng)，測(cè)得的霍爾電極A、A′之間的電壓實(shí)為與各副效應(yīng)電壓的疊加值：·不等勢(shì)電壓降∝d·Ettingshausen（愛廷豪森）-熱電效應(yīng)引起的附加電壓∝Is·B·Nernst(能斯特)—熱磁效應(yīng)直接引起的附加電壓∝Q·B·Righi-leduc(里紀(jì)—勒杜克)—熱磁效應(yīng)產(chǎn)生的溫差引起的附加電壓∝S·BV06實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法1.2幾個(gè)系統(tǒng)誤差及其消除：不等勢(shì)電壓降∝d由于測(cè)量霍爾電壓的A、A′兩

4、電極不可能絕對(duì)對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，位置不在一理想的等勢(shì)面上，即使不加磁場(chǎng)，只要有電流通過，即有電壓＝·r，其中r為A、A′所在的兩等勢(shì)面之間電阻。在測(cè)量時(shí)，疊加，使得值偏大（當(dāng)與同號(hào)）或偏?。ó?dāng)與異號(hào)）。的符號(hào)取決于和B兩者的方向，而只與方向有關(guān)，而與磁感應(yīng)強(qiáng)度B方向無(wú)關(guān)，因此可以通過改變的方向予以消除；VE7實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法1.2Ettingshausen-熱電效應(yīng)附加電壓∝·BIs載流子遷移速率存在統(tǒng)計(jì)分布，霍耳電壓達(dá)穩(wěn)定值時(shí)，若速度為v的載流子所受洛侖茲力與霍爾電場(chǎng)力剛好抵消，則速度小于/大于v的載流子受到的洛侖磁力小于/大于霍爾電場(chǎng)的作用力，將向霍爾電場(chǎng)作用力/洛倫茲力

5、方向偏轉(zhuǎn)，而速度大的載流子會(huì)聚集在半導(dǎo)體材料的一側(cè),溫度較高；而速度小的載流子聚集在另側(cè),溫度較低。由于測(cè)量電極和半導(dǎo)體兩者材料不同,電極和半導(dǎo)體之間形成溫差電偶,這一溫差產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì),而產(chǎn)生電勢(shì)差，此為Ettingshausen（愛庭豪森）效應(yīng)。效應(yīng)建立需要時(shí)間，采用直流電則由于該效應(yīng)的存在而給霍爾電壓的測(cè)量帶來誤差，如果采用交流電，則由于交流變化快使得該效應(yīng)未及“建立”，可減小測(cè)量誤差。由于的大小和正負(fù)號(hào)與、B的大小和方向有關(guān),跟與、B的關(guān)系相同,所以不能在測(cè)量中用改變和B方向的方法消除，但其引入的誤差小，可以忽略；8實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法1.2Nernst—熱磁效應(yīng)引起附加電壓∝

6、Q·BVN接觸電阻不完全相同。當(dāng)工作電流通過不同接觸電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的焦耳熱,并因溫差產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì),此電動(dòng)勢(shì)又產(chǎn)生溫差電流Q(稱為熱電流),在磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn),在Y方向產(chǎn)生附加電勢(shì)差VN，這就是Nernst效應(yīng)。而，VN的符號(hào)只與B的方向有關(guān)，與VN的方向無(wú)關(guān)，可通過改變B的方向予以消除；9實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法1.2Righi-leduc熱磁效應(yīng)溫差附加電壓∝S·BVRL因載流子的速度統(tǒng)計(jì)分布，由Nernst效應(yīng)產(chǎn)生的X方向熱擴(kuò)散電熱電流也有Ettingshausen效應(yīng)，在Z的方向磁場(chǎng)B作用下，將在Y方向產(chǎn)生溫度梯度′，此溫差在Y方向產(chǎn)生附加溫差電動(dòng)勢(shì)VRL。VRL的符號(hào)只與B

7、的方向有關(guān)，亦能消除。10實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法1.2對(duì)稱測(cè)量法實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的A、A′之間的電壓除VH外還包含V0、VN、VRL和VE各電壓的代數(shù)和，其中V0、VN和VRL均通過改變Is和B方向的方法予以消除。具體方法是在規(guī)定了電流和磁場(chǎng)正、反方向后，分別測(cè)量由下列四組不同方向的IS和B的組合的A、A′之間的電壓。當(dāng)（+Is、+B）時(shí)V1=VH+V0+VN+VRL+VE當(dāng)（+Is、-B）時(shí)V2=-VH+V0-VN-VRL-VE當(dāng)（-Is、-B）時(shí)V3=VH-V0