霍尔效应资料学习教案.pptx

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1、霍尔效应(xioyng)资料第一页，共32页。量子量子(lingz)霍尔效应霍尔效应 长时期以来，霍尔效应是在室温和中等强度磁场条件下进行实验的。1980年,德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)发现在低温条件下半导体硅的霍尔效应不是常规的那种直线(zhxin)，而是随着磁场强度呈跳跃性的变化，这种跳跃的阶梯大小由被整数除的基本物理常数所决定。这在后来被称为整数量子霍尔效应。由于这个(zh ge)发现，克利青在1985年获得了诺贝尔物理奖。背景介绍背景介绍第1页/共31页第二页，共32页。分数量子(lingz)霍尔效应u高纯度半导体材料u超低温环境(hunjng)：仅比绝对

2、零度高十分之一摄氏度（约273）u超强磁场：当于地球磁场强度100万倍背景背景(bijng)介介绍绍崔琦Robert LaughlinHorst Stormer构造出了分数量子霍尔系统的解析波函数1998年的诺贝尔物理学奖分数量子霍尔效应第2页/共31页第三页，共32页。实验(shyn)原理u现象现象(xinxing) 霍尔效应霍尔效应 在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁场，在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生(chnshng)电势电势差，这种现象称为霍尔效应，所产生差，这种现象称为霍

3、尔效应，所产生(chnshng)的电势差称的电势差称为霍尔电压。为霍尔电压。u理论分析理论分析磁场中运动载流子受洛伦兹力作用磁场中运动载流子受洛伦兹力作用电荷聚集形成电场电荷聚集形成电场电场力与洛伦兹力达电场力与洛伦兹力达到平衡，形成稳定电到平衡，形成稳定电压压UHBfSIvbdEfHUbUqBqHv第3页/共31页第四页，共32页。又考虑(kol)到(n为载流子浓度)dbnqISv实验(shyn)原理bUqBqHvdBInqUSH1BIKUSHH即：为流过霍尔元件的电流，即其工作电流用仪器测出用仪器测出VH和和IS即可求得磁感应强度的量值即可求得磁感应强度的量值.第4页/共31页第五页，共3

4、2页。埃廷斯豪森效应(xioyng)ExzP型半导体+_温度低温度高Jx zN型半导体EyJx_+温度低温度高 zEy 霍尔效应(xioyng)中的负效应(xioyng)E方向(fngxing)与I和方向(fngxing)有关。由于材料中载流子的速材料中载流子的速度不同度不同，在磁场的作用下，载流子的偏转半径不同，从而在y轴方向产生温度梯度，由此温度梯度形成的温差电动势为埃廷斯豪森电压。第5页/共31页第六页，共32页。能斯特效应能斯特效应(xioyng)沿x方向(fngxing)通以电流，两端电极与样品的接触电阻不同而产生不同的焦耳热，致使x方向(fngxing)产生温度梯度，这一温度梯度引

5、起一附加的纵向热扩散电流，在磁场的作用下，从而在y轴方向(fngxing)产生横向电位差，为能斯特电压。Nxz N 方 向 ( f n g x i n g ) 只 与 方 向(fngxing)有关。 霍尔效应中的负效应霍尔效应中的负效应第6页/共31页第七页，共32页。里吉里吉-勒迪克效应勒迪克效应(xioyng)纵向热扩散电流，在磁场纵向热扩散电流，在磁场(cchng)(cchng)的的作用下，从而在作用下，从而在y y轴方向产生横向温差，轴方向产生横向温差，这一横向温差又引起横向电位差，为里这一横向温差又引起横向电位差，为里吉吉- -勒迪克电压。勒迪克电压。RLxzRLRL的方向的方向(f

6、ngxing)(fngxing)只与的只与的方向方向(fngxing)(fngxing)有关。有关。 霍尔效应中的负效应霍尔效应中的负效应第7页/共31页第八页，共32页。不等位不等位(dn wi)效应效应0 xR0制备霍尔样品时制备霍尔样品时, y, y方向的测量电极很难做到方向的测量电极很难做到处于理想的等位面上，即使在未加磁场时，在处于理想的等位面上，即使在未加磁场时，在、两电极间也存在一个由于不等位电势引、两电极间也存在一个由于不等位电势引起起(ynq)(ynq)的欧姆压降的欧姆压降0 0U0U0的方向的方向(fngxing)(fngxing)只与只与IxIx的方向的方向(fngxin

7、g)(fngxing)有关。有关。 霍尔效应中的负效应霍尔效应中的负效应第8页/共31页第九页，共32页。 霍尔效应(xioyng)中负效应(xioyng)的消除u埃廷斯豪森效应埃廷斯豪森效应 E E 方向与方向与I I和方向有关。和方向有关。u能斯特效应能斯特效应 N N方向只与方向有关。方向只与方向有关。u里吉里吉- -勒迪克效应勒迪克效应 RLRL的方向只与的方向有关的方向只与的方向有关u不等位不等位(dn wi)(dn wi)效应效应 U0 U0的方向只与的方向只与I I的的方向有关。方向有关。u负效应的消除：改变负效应的消除：改变I I和和B B的方向，即对称测量法。的方向，即对称测

8、量法。u+B,+I, +B,+I, 测得电压测得电压U1=UH+UE+UN+URL+U0U1=UH+UE+UN+URL+U0u+B,-I, +B,-I, 测得电压测得电压U2=-UH-UE+UN+URL-U0U2=-UH-UE+UN+URL-U0u-B,-I, -B,-I, 测得电压测得电压U3=UH+UE-UN-URL-U0U3=UH+UE-UN-URL-U0u-B,+I, -B,+I, 测得电压测得电压U4=-UH-UE-UN-URL+U0U4=-UH-UE-UN-URL+U0uUH=UH=（U1-U2+U3-U4)/4-UE U1-U2+U3-U4)/4-UE u忽 略忽 略 U E U

9、 E 则则 U H =U H =（|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4第9页/共31页第十页，共32页。 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用(yngyng) 1. 霍尔式微霍尔式微(shwi)位移传感器位移传感器u动态动态(dngti)范围可达范围可达 5 mmu分辨率为分辨率为 0.001mm 第10页/共31页第十一页，共32页。2. 霍尔式转速传感器 右图是霍尔式转速传感器。 磁性(cxng)转盘的输入轴与被测转轴相连, 当被测转轴转动时, 磁性(cxng)转盘随之转动, 固定在磁性(cxng)转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时

10、产生一个相应的脉冲, 检测出单位时间的脉冲数, 便可知被测转速。磁性(cxng)转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。 霍尔传感器的应霍尔传感器的应用用(yngyng)1-输入轴；输入轴；2-转盘转盘(zhunpn)；3-小磁铁；小磁铁；4-霍尔传感器霍尔传感器第11页/共31页第十二页，共32页。实验(shyn)内容u 实验实验(shyn)任任务务利用霍尔效应测量螺线管内轴线上磁感应强度(qingd)(qingd)的分布. .完成这一实验任务，必须做以下工作：完成这一实验任务，必须做以下工作：仪器调节(将仪器调节到标准工作状态).仪器标定(确定霍尔电压与磁感应强度的关系).测量

11、通电螺线管内轴线上磁感应强度的分布.第12页/共31页第十三页，共32页。关键(gunjin)提示 本实验关键点如下： 1.接线 2.调标准(biozhn)工作状态 3.定标：固定位置、改变励磁电流 4.测量：固定励磁电流、改变位置 请按以上关键点阅读以下材料。第13页/共31页第十四页，共32页。实验(shyn)装置FD-ICH-II型螺线管磁场(cchng)测定仪包括实验主机、集成包括实验主机、集成(j chn)(j chn)霍耳传感器探测棒、螺线管、双刀和单霍耳传感器探测棒、螺线管、双刀和单刀换向开关、三芯电源线及导线若干刀换向开关、三芯电源线及导线若干. .第14页/共31页第十五页，

12、共32页。实验实验(shyn)装置装置电源组和数字电压表电源组和数字电压表第15页/共31页第十六页，共32页。实验(shyn)装置集成霍耳传感器探测棒、螺线管第16页/共31页第十七页，共32页。实验装置实验装置双刀和单刀双刀和单刀(dndo)换向开关换向开关第17页/共31页第十八页，共32页。实验(shyn)装置本实验仪采用(ciyng)SS95A型集成霍尔传感器，内部结构如图：u在零磁场条件下，调节V+、V-所接的电源电压(diny)，使输出电压(diny)为2.500V时，传感器工作电流即为标准工作电流.SHSHIKVIKVB).(5002V为霍尔传感器输出电压 标准工作电流下磁场与

13、霍尔元件输出电压的关系为：u测量时霍尔传感器必须处于标准工作电流下.V+和V-构成电流输入端Vout和V-构成电压输出端V是用2.500V外接电压补偿后的输出值.第18页/共31页第十九页，共32页。实验内容：仪器(yq)调节连接给螺线管提供励磁电流连接给螺线管提供励磁电流(dinli)的电路的电路.连接给霍尔元件提供工作电流连接给霍尔元件提供工作电流(IS)的电路的电路.连接输出霍尔电压的电路连接输出霍尔电压的电路.连接外接补偿电压连接外接补偿电压(2.500V)的电路的电路. 详见下页图示.第19页/共31页第二十页，共32页。实验内容：仪器(yq)调节为螺线管提供励磁电为螺线管提供励磁电

14、流流( (流过螺线管的电流过螺线管的电流流) )，产生磁场，产生磁场. .外接2.500V补偿电压u 注意：V+、V-不能接反，否则将损坏元件.第20页/共31页第二十一页，共32页。调节外接调节外接2.500V补偿补偿(bchng)电压电压调节调节(tioji)霍尔元件工作霍尔元件工作电流电流双刀双刀(shun do)(shun do)换向开关换向开关K2K2用用于改变励磁电流于改变励磁电流的方向的方向. .显示励磁电流大小显示励磁电流大小调节励调节励磁电流磁电流集成霍尔元件集成霍尔元件霍尔元件位置读数霍尔元件位置读数显示霍尔显示霍尔元件输出元件输出电压电压. .量程量程切换切换实验内容：仪

15、器调节第21页/共31页第二十二页，共32页。二. 将霍尔元件的工作电流(dinli)调节为标准工作电流(dinli)将开关K1指向位置1，调节4.8V5.2V电源输出电压，使数字电压表显示的“Vout” 和“V-”间的电压为2.500V，此时集成(j chn)霍尔元件达到标准化工作状态，即流过霍尔元件的电流为标准工作电流。断开(dun ki)开关K2，使集成霍耳传感器处于零磁场条件下.K2仍断开，保持V+和V-电压不变，把开关K1指向2，调节2.4V2.6V的外接补偿电压，使数字电压表在mV档的示值为0，即用一个外接2.500V电位差对传感器输出的2.500V电位差进行补偿，以便可直接读出V

16、 .三. 对传感器输出的2.500V电位差进行补偿实验内容：仪器调节第22页/共31页第二十三页，共32页。霍尔元件置于螺线管中央，改变励磁(l c)电流IM (0-500mA) ，测量V-IM 关系(测10组数据).IM为螺线管通电为螺线管通电(tng din)电流电流 绘制V-IM关系曲线，计算斜率 .MIV实验内容实验内容(nirng)1：霍尔电势差与磁感应强度：霍尔电势差与磁感应强度B的关系的关系n 方法：霍尔元件位置方法：霍尔元件位置固定固定( (置于螺线管的置于螺线管的中央中央) )，改变改变励磁电流励磁电流.第23页/共31页第二十四页，共32页。 注意：两端的磁场变化注意：两端

17、的磁场变化(binhu)快而中间变化快而中间变化(binhu)慢，测量点在两边应比中间取得密一些慢，测量点在两边应比中间取得密一些用测得的轴线上各点的磁感应强度(qingd)(qingd)，绘制螺线管轴线上磁场的分布曲线. .励磁电流励磁电流(dinli)(dinli)为为0 0时，时，霍尔电压总为霍尔电压总为0 0吗？吗？IM=0=0时，由于地磁场的存在，VH不一定为0 0，怎样消除地磁场的影响？u每个点每个点IM正、反向各测一次，取二者绝对值的平均值正、反向各测一次，取二者绝对值的平均值作为该点的数据，即可消除地磁场的影响作为该点的数据，即可消除地磁场的影响. .实验内容实验内容2：螺线管

18、轴线磁场分布的测量：螺线管轴线磁场分布的测量n 方法：保持励磁电流不变方法：保持励磁电流不变(250mA)，改变霍尔元件位置改变霍尔元件位置(030.0cm) ，测量螺线管轴线上各点的霍尔电压。，测量螺线管轴线上各点的霍尔电压。第24页/共31页第二十五页，共32页。实验数据(shj)例灵敏度的测定 050100150200250300350400450500022.244.166.188.1110.1132.0154.1176.0198.0220.0表1测量霍尔电压(已放大)与励磁电流(dinli)IM的关系 (霍尔传感器处于螺线管中央位置，即X=17.0cm处)霍尔电压与励磁电流的关系(g

19、un x)曲线：第25页/共31页第二十六页，共32页。实验(shyn)数据例螺线管内轴线磁场分布的测定 X/cmU1/mVU2/mVU/mVB/mT1.00 9.0-8.88.900.29 1.50 12.5-12.412.450.41 2.00 17.8-17.817.800.58 2.50 25.7-25.625.650.84 3.00 38.4-38.338.351.26 3.50 54.6-54.554.551.79 4.00 71.1-70.971.002.33 4.50 84.5-84.484.452.77 5.00 93.6-93.493.503.07 5.50 98.9-98

20、.698.753.24 6.00 102.5-102.2102.353.36 6.50 104.8-104.5104.653.43 7.00 106.3-105.9106.103.48 7.50 107.3-106.9107.103.51 第26页/共31页第二十七页，共32页。实验数据例螺线管内轴线(zhu xin)磁场分布的测定 X/cmU1/mVU2/mVU/mVB/mT8.00 108.0-107.6107.803.53 9.00 108.9-108.4108.653.56 10.00 109.2-108.7108.953.57 11.00 108.9-108.4108.653.56

21、12.00 108.7-108.2108.453.56 13.00 109.2-108.6108.903.57 14.00 109.7-109.2109.453.59 15.00 110.2-109.5109.853.60 16.00 110.4-109.8110.103.61 17.00 110.7-110.1110.403.62 18.00 110.7-110.1110.403.62 19.00 110.6-109.8110.203.61 20.00 110.6-109.9110.253.61 21.00 110.5-109.8110.153.61 22.00 110.2-109.4109

22、.803.60 第27页/共31页第二十八页，共32页。实验数据例螺线管内轴线磁场分布(fnb)的测定 X/cmU1/mVU2/mVU/mVB/mT23.00 109.9-109.2109.553.59 24.00 109.7-108.9109.303.58 24.50 109.5-108.6109.053.58 25.00 109.1-108.2108.653.56 25.50 108.5-107.6108.053.54 26.00 107.6-106.6107.103.51 26.50 106.1-105.1105.603.46 27.00 103.6-102.7103.153.38 27

23、.50 99.5-99.099.253.25 28.00 93.5-92.793.103.05 28.50 83.5-83.183.302.73 29.00 69.0-68.668.802.26 29.50 52.4-51.852.101.71 30.00 36.2-35.435.801.17 第28页/共31页第二十九页，共32页。螺线管内轴线上磁感应强度(qingd)分布曲线实验数据(shj)例螺线管内轴线磁场分布的测定 第29页/共31页第三十页，共32页。实验完毕后，拆除接线前应先将螺线管工作电流(dinli)调至零，再关闭电源，以防止电感电流(dinli)突变引起高电压.实验完毕(wnb)后，请逆时针旋转仪器上的三个调节旋钮，使其恢复到起始位置(最小的位置).注意事项仪器应预热(y r)10分钟后测量数据.第30页/共31页第三十一页，共32页。感谢您的观看(gunkn)。第31页/共31页第三十二页，共32页。