霍尔效应和旋光现象及应用精选文档.ppt

霍尔效应和旋光现象及应用本讲稿第一页，共二十七页【实验目的实验目的】n研究霍尔效应的基本特性研究霍尔效应的基本特性n（1）了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器）了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器n 件对材料要求的知识；件对材料要求的知识；n（2）测绘霍尔元件的）测绘霍尔元件的 和和 曲线；曲线；n（3）确定霍尔元件的导电类型，测量其霍尔）确定霍尔元件的导电类型，测量其霍尔n 系数、载流子浓度以及迁移率。系数、载流子浓度以及迁移率。本讲稿第二页，共二十七页【实验原理实验原理】1 霍尔效应霍尔效应 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场成附加的横向电场，即霍尔电场 。（a）（b）（a）载流子为电子（）载流子为电子（N型）；（型）；（b）载流子为空穴（）载流子为空穴（P型）型）本讲稿第三页，共二十七页 设试样的宽为设试样的宽为b，厚度为，厚度为d，载流子浓度为，载流子浓度为n，则，则：霍尔电场阻止载流子继续向侧面偏移，当载流霍尔电场阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力与洛仑兹力相等，样品两侧电子所受的横向电场力与洛仑兹力相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡。荷的积累就达到动态平衡。霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。本讲稿第四页，共二十七页2如何判断样品的导电类型如何判断样品的导电类型 由由 的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判别的方法是按图导电类型。判别的方法是按图1所示的所示的 和和 的方的方向，若测得的向，若测得的 即即 点电位低于点电位低于 点的电点的电位，则位，则 为负，样品属为负，样品属N型；反之则为型；反之则为P型。型。（a）载流子为电子（）载流子为电子（N型）；（型）；（b）载流子为空穴（）载流子为空穴（P型）型）本讲稿第五页，共二十七页3霍尔效应与材料性能的关系霍尔效应与材料性能的关系 要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率亦较高）的材料。（即迁移率高、电阻率亦较高）的材料。半导体迁移率高，电阻率适中，是制造霍尔元件较理半导体迁移率高，电阻率适中，是制造霍尔元件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴迁移率大，所于霍尔想的材料，由于电子的迁移率比空穴迁移率大，所于霍尔元件多采用元件多采用N型材料。型材料。霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，薄膜型的霍霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，薄膜型的霍尔元件的输出电压较片状要高得多。尔元件的输出电压较片状要高得多。本讲稿第六页，共二十七页 （1）霍尔电压的测量方法）霍尔电压的测量方法 为消除附加电压带来的误差，采用电流和磁场换向的为消除附加电压带来的误差，采用电流和磁场换向的对称测量法对称测量法。即在规定了电流和磁场正、反方向后，分。即在规定了电流和磁场正、反方向后，分别测量下列四组别测量下列四组【实验方法】【实验方法】本讲稿第七页，共二十七页 通通过过A、C电电极极进进行行测测量，量，设设、间间的距离的距离为为 l，样样品的横截面品的横截面积为积为S=bd，流，流经样经样品的品的电电流流为为IS，在零磁在零磁场场下，若下，若测测得得A、C间间的的电电位差位差为为 （即（即 ）由下式可求得：由下式可求得：（2）电导率）电导率 的测量的测量本讲稿第八页，共二十七页【实验仪器实验仪器】图图2 霍尔效应实验仪霍尔效应实验仪本讲稿第九页，共二十七页本讲稿第十页，共二十七页1.00 1.20 1.401.601.802.00（1）测测 曲曲线线 （）=KGS/A【实验内容及数据处理】【实验内容及数据处理】本讲稿第十一页，共二十七页0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600（2）测测 曲曲线线()本讲稿第十二页，共二十七页本讲稿第十三页，共二十七页（3）测电导测电导率率0.140.160.18本讲稿第十四页，共二十七页（4）求）求，并判断霍，并判断霍尔尔元件的元件的导电类导电类型型（5 5）求载流子浓度）求载流子浓度 n（6 6）求）求载载流子的迁移率流子的迁移率 时时,所用霍尔元件的导电所用霍尔元件的导电类型是类型是P型型，反之为，反之为N型型。本讲稿第十五页，共二十七页注意事项：注意事项：1.1.测试仪测试仪开机、关机前将开机、关机前将 和和 旋旋钮钮逆逆时针转时针转到到 底，防止底，防止输输出出电电流流过过大；大；2.2.和和 接接线线不可不可颠颠倒，以防倒，以防烧烧坏坏样样品；品；1.1.3.3.查查看看 时时，不宜不宜过过大，以免数字大，以免数字电压电压表超量表超量 程，通常取程，通常取为为0.15mA左右。左右。本讲稿第十六页，共二十七页旋光现象及应用旋光现象及应用本讲稿第十七页，共二十七页【实验目的实验目的】n1、观察了解线偏振光通过旋光物质的旋光现象；、观察了解线偏振光通过旋光物质的旋光现象；n2、了解旋光仪的结构、工作原理及其使用方法；、了解旋光仪的结构、工作原理及其使用方法；n3、学会用旋光仪测糖溶液的旋光率和浓度；、学会用旋光仪测糖溶液的旋光率和浓度；本讲稿第十八页，共二十七页【实验原理实验原理】偏振光通过某种物质后，其振动面将以光的偏振光通过某种物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过一定的角度传播方向为轴线转过一定的角度 ，这种现象，这种现象叫做旋光现象。旋转的角度叫做旋光现象。旋转的角度 称为旋光度。称为旋光度。本讲稿第十九页，共二十七页【实验仪器实验仪器】1.底座；底座；2度盘调节手轮；度盘调节手轮；3刻度盘；刻度盘；4.目镜；目镜；5度盘游标；度盘游标；6物镜；物镜；7检偏检偏片；片；8测试管；测试管；9石英片；石英片；10起偏片；起偏片；11会聚透镜；会聚透镜；12钠光灯光源钠光灯光源本讲稿第二十页，共二十七页 测量采用半荫法测量采用半荫法，钠光灯发出的光经起偏片后成，钠光灯发出的光经起偏片后成为平面偏振光，在半波片（劳伦特石英片）处产生为平面偏振光，在半波片（劳伦特石英片）处产生三分视场。检偏片与刻度盘连在一起，转动度盘调三分视场。检偏片与刻度盘连在一起，转动度盘调节手轮即转动检偏片，可以看到三分视场各部分的节手轮即转动检偏片，可以看到三分视场各部分的亮度变化情况。亮度变化情况。a或零度视场 b零度视场 c零度视场 d全亮视场 图2 零度视场的分辨本讲稿第二十一页，共二十七页 将装有一定浓度的某种溶液的试管放入旋光仪后，由于将装有一定浓度的某种溶液的试管放入旋光仪后，由于溶液具有旋光性，使平面偏振光旋转了一个角度，零度视溶液具有旋光性，使平面偏振光旋转了一个角度，零度视场便发生了变化，转动度盘调节手轮，使再次出现亮度一场便发生了变化，转动度盘调节手轮，使再次出现亮度一致的零度视场，这时检偏片转过的角度就是溶液的旋光度。致的零度视场，这时检偏片转过的角度就是溶液的旋光度。为了避免刻度盘的偏心差，在游标盘上相隔为了避免刻度盘的偏心差，在游标盘上相隔180180度对称度对称地装有左右两个游标，测量时两个游标都读数，取其平均地装有左右两个游标，测量时两个游标都读数，取其平均值。值。旋光仪读数示意图旋光仪读数示意图本讲稿第二十二页，共二十七页a或零度视场 b零度视场 c零度视场 d全亮视场 图2 零度视场的分辨【实验内容】【实验内容】(1)(1)接通电源并开启仪器电源开关，约接通电源并开启仪器电源开关，约5 5分钟后钠光灯分钟后钠光灯 发光正常，就可以开始工作；发光正常，就可以开始工作；(2)(2)调节旋光仪的目镜，使视场中调节旋光仪的目镜，使视场中 a a、b b 区域及分界线区域及分界线 十分清晰；转动检偏器，观察并熟悉视场明暗变化十分清晰；转动检偏器，观察并熟悉视场明暗变化 的规律；的规律；(3)(3)熟悉角游标尺的读数方法，记录最大仪器误差熟悉角游标尺的读数方法，记录最大仪器误差；本讲稿第二十三页，共二十七页a或零度视场 b零度视场 c零度视场 d全亮视场 图2 零度视场的分辨(4)(4)检查仪器零位是否准确，即在仪器未放试管时，将检查仪器零位是否准确，即在仪器未放试管时，将 旋光仪调到图旋光仪调到图2 2（b b）所示的状态，看到视场两部分）所示的状态，看到视场两部分 亮度均匀且较暗时，记下刻度盘上左右两游标窗口亮度均匀且较暗时，记下刻度盘上左右两游标窗口 上的相应读数，作为零位读数；上的相应读数，作为零位读数；(5)(5)将盛满已知浓度（共四种）或未知浓度（一种）将盛满已知浓度（共四种）或未知浓度（一种）糖溶液的试管依次放入仪器内，重调目镜使糖溶液的试管依次放入仪器内，重调目镜使a a、b b 区域分界线清晰，再旋转检偏器使视场亮度均匀区域分界线清晰，再旋转检偏器使视场亮度均匀 且较暗，如图且较暗，如图2 2（b b）所示的状态，从刻度盘上左）所示的状态，从刻度盘上左 右窗口记下相应的角度；右窗口记下相应的角度；本讲稿第二十四页，共二十七页(6)(6)由偏振光被旋转的方向确定物质的旋光性（左旋由偏振光被旋转的方向确定物质的旋光性（左旋 还是右旋）；还是右旋）；(7)(7)利用已知的利用已知的 和测出的和测出的 作图。确定糖溶液的旋光率；作图。确定糖溶液的旋光率；(8)(8)从所作的曲线上查找出待测糖溶液的浓度。从所作的曲线上查找出待测糖溶液的浓度。本讲稿第二十五页，共二十七页注意事项注意事项（1 1）溶液应装满试管，不能有气泡。如果试管）溶液应装满试管，不能有气泡。如果试管 中有气泡，应使气泡处于试管凸起处；中有气泡，应使气泡处于试管凸起处；（2 2）试管和试管两端透明窗均应擦净才可装上）试管和试管两端透明窗均应擦净才可装上 旋光仪；旋光仪；（3 3）操作中注意将试管放妥，避免将其摔踤；）操作中注意将试管放妥，避免将其摔踤；（4 4）仪器电源不要反复连续地开关，若钠光灯）仪器电源不要反复连续地开关，若钠光灯 熄灭，需停几分钟后再开。熄灭，需停几分钟后再开。本讲稿第二十六页，共二十七页【数据处理数据处理】序号0.020.040.060.08左右左右左右左右左右左右1234本讲稿第二十七页，共二十七页