霍爾效應(yīng)介紹

1、Edwin Hall（18551938）,霍爾效應(yīng)是霍爾 (Hall)24歲時(shí)在美國(guó)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(chǎng)中的受力性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。 在長(zhǎng)方形導(dǎo)體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場(chǎng)，就會(huì)在與電流和磁場(chǎng)兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差稱(chēng)為霍爾電壓。,背景介紹,霍爾效應(yīng),量子霍爾效應(yīng),長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，霍爾效應(yīng)是在室溫和中等強(qiáng)度磁場(chǎng)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的。1980年,德國(guó)物理學(xué)家克利青(Klaus von Klitzing)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，而是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度呈跳躍性的變化，這種跳躍的階梯大小由被整數(shù)除的基本物

2、理常數(shù)所決定。,這在后來(lái)被稱(chēng)為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。由于這個(gè)發(fā)現(xiàn)，克利青在1985年獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。,背景介紹,分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng),高純度半導(dǎo)體材料 超低溫環(huán)境：僅比絕對(duì)零度高十分之一攝氏度（約273） 超強(qiáng)磁場(chǎng)：當(dāng)于地球磁場(chǎng)強(qiáng)度100萬(wàn)倍,背景介紹,崔琦,Robert Laughlin,Horst Stormer,構(gòu)造出了分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)的解析波函數(shù),1998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng),實(shí)驗(yàn)原理,現(xiàn)象 霍爾效應(yīng),在長(zhǎng)方形導(dǎo)體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場(chǎng)，就會(huì)在與電流和磁場(chǎng)兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差稱(chēng)為霍爾電壓。,理論分析,磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)載

3、流子受洛倫茲力作用,電荷聚集形成電場(chǎng),電場(chǎng)力與洛倫茲力達(dá)到平衡，形成穩(wěn)定電壓UH,又考慮到(n為載流子濃度),實(shí)驗(yàn)原理,即：,KH=1/(nqd)稱(chēng)為霍爾元件的靈敏度.,IS為流過(guò)霍爾元件的電流，即其工作電流., 如果已知霍爾片的靈敏度KH，用儀器測(cè)出VH和IS即可求得磁感應(yīng)強(qiáng)度的量值.,埃廷斯豪森效應(yīng),Exz,P型半導(dǎo)體,霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng),E方向與I和方向有關(guān)。,由于材料中載流子的速度不同，在磁場(chǎng)的作用下，載流子的偏轉(zhuǎn)半徑不同，從而在y軸方向產(chǎn)生溫度梯度，由此溫度梯度形成的溫差電動(dòng)勢(shì)為埃廷斯豪森電壓。,能斯特效應(yīng),沿x方向通以電流，兩端電極與樣品的接觸電阻不同而產(chǎn)生不同的焦耳熱，致使x方向

4、產(chǎn)生溫度梯度，這一溫度梯度引起一附加的縱向熱擴(kuò)散電流，在磁場(chǎng)的作用下，從而在y軸方向產(chǎn)生橫向電位差，為能斯特電壓。,Nxz,N方向只與方向有關(guān)。,霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng),里吉-勒迪克效應(yīng),縱向熱擴(kuò)散電流，在磁場(chǎng)的作用下，從而在y軸方向產(chǎn)生橫向溫差，這一橫向溫差又引起橫向電位差，為里吉-勒迪克電壓。,RLxz,RL的方向只與的方向有關(guān)。,霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng),不等位效應(yīng),0 xR0,制備霍爾樣品時(shí), y方向的測(cè)量電極很難做到處于理想的等位面上，即使在未加磁場(chǎng)時(shí)，在、兩電極間也存在一個(gè)由于不等位電勢(shì)引起的歐姆壓降0,U0的方向只與Ix的方向有關(guān)。,霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng),霍爾效應(yīng)中負(fù)效應(yīng)的消除,埃廷斯豪森效

5、應(yīng) E 方向與I和方向有關(guān)。 能斯特效應(yīng) N方向只與方向有關(guān)。 里吉-勒迪克效應(yīng) RL的方向只與的方向有關(guān) 不等位效應(yīng) U0的方向只與I的方向有關(guān)。 負(fù)效應(yīng)的消除：改變I和B的方向，即對(duì)稱(chēng)測(cè)量法。 +B,+I, 測(cè)得電壓U1=UH+UE+UN+URL+U0 +B,-I, 測(cè)得電壓U2=-UH-UE+UN+URL-U0 -B,-I, 測(cè)得電壓U3=UH+UE-UN-URL-U0 -B,+I, 測(cè)得電壓U4=-UH-UE-UN-URL+U0 UH=（U1-U2+U3-U4)/4-UE 忽略UE 則UH=（|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4,霍爾傳感器的應(yīng)用,1. 霍爾式微位移傳感器,動(dòng)態(tài)

6、范圍可達(dá) 5 mm 分辨率為 0.001mm,2. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 右圖是霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。 磁性轉(zhuǎn)盤(pán)的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連, 當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 磁性轉(zhuǎn)盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng), 固定在磁性轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖, 檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù), 便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤(pán)上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。,霍爾傳感器的應(yīng)用,1-輸入軸；2-轉(zhuǎn)盤(pán)； 3-小磁鐵；4-霍爾傳感器,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)任務(wù),利用霍爾效應(yīng)測(cè)量螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布.,完成這一實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度的關(guān)

7、系).,測(cè)量通電螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布.,關(guān)鍵提示,本實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)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、改變勵(lì)磁電流 4.測(cè)量：固定勵(lì)磁電流、改變位置 請(qǐng)按以上關(guān)鍵點(diǎn)閱讀以下材料。,實(shí)驗(yàn)裝置,FD-ICH-II型螺線管磁場(chǎng)測(cè)定儀,包括實(shí)驗(yàn)主機(jī)、集成霍耳傳感器探測(cè)棒、螺線管、雙刀和單刀換向開(kāi)關(guān)、三芯電源線及導(dǎo)線若干.,實(shí)驗(yàn)裝置電源組和數(shù)字電壓表,實(shí)驗(yàn)裝置集成霍耳傳感器探測(cè)棒、螺線管,實(shí)驗(yàn)裝置雙刀和單刀換向開(kāi)關(guān),實(shí)驗(yàn)裝置,本實(shí)驗(yàn)儀采用SS95A型集成霍爾傳感器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖：,在零磁場(chǎng)條件下，調(diào)節(jié)V+、V-所接的電源電壓，使輸出電壓為2.500V時(shí)，傳感器工作電流即為標(biāo)準(zhǔn)

8、工作電流.,V為霍爾傳感器輸出電壓,標(biāo)準(zhǔn)工作電流下磁場(chǎng)與霍爾元件輸出電壓的關(guān)系為：,測(cè)量時(shí)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(bǔ)償后的輸出值.,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié),一. 需連接以下電路:,連接給螺線管提供勵(lì)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(bǔ)償電壓(2.500V)的電路.,詳見(jiàn)下頁(yè)圖示.,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié),V+和V- :給霍爾元件提供工作電流,Vout和V- :輸出霍爾電壓,外接2.500V補(bǔ)償電壓,注意：V+、V-不能接反，否則將損壞元件.,調(diào)節(jié)外接

9、2.500V補(bǔ)償電壓,調(diào)節(jié)霍爾元件工作電流,雙刀換向開(kāi)關(guān)K2用于改變勵(lì)磁電流的方向.,顯示勵(lì)磁電流大小,調(diào)節(jié)勵(lì)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容：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(kāi)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(shí)集成霍爾元件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化工作狀態(tài)，即流過(guò)霍爾元件的電流為標(biāo)準(zhǔn)工作電流。,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K2，使集成霍耳傳感器處于零磁場(chǎng)條件下.,K2仍斷開(kāi)，保持V+和V-電壓不變，把開(kāi)關(guān)K1指向2，調(diào)節(jié)2.4V2.6V的外接補(bǔ)償電壓，使數(shù)字電壓表在

10、mV檔的示值為0，即用一個(gè)外接2.500V電位差對(duì)傳感器輸出的2.500V電位差進(jìn)行補(bǔ)償，以便可直接讀出V .,三. 對(duì)傳感器輸出的2.500V電位差進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié),霍爾元件置于螺線管中央，改變勵(lì)磁電流IM (0-500mA) ，測(cè)量V-IM 關(guān)系(測(cè)10組數(shù)據(jù)).,IM為螺線管通電電流,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1：霍爾電勢(shì)差與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系,方法：霍爾元件位置固定(置于螺線管的中央)，改變勵(lì)磁電流.,注意：兩端的磁場(chǎng)變化快而中間變化慢，測(cè)量點(diǎn)在兩邊應(yīng)比中間取得密一些,用測(cè)得的軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，繪制螺線管軸線上磁場(chǎng)的分布曲線.,勵(lì)磁電流為0時(shí)，霍爾電壓總為0嗎？,IM=0時(shí)，由于地磁場(chǎng)的存在，VH不一定為0，怎樣消除地磁場(chǎng)的影響？,每個(gè)點(diǎn)IM正、反向各測(cè)一次，取二者絕對(duì)值的平均值作為該點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即可消除地磁場(chǎng)的影響.,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2：螺線管軸線磁場(chǎng)分布的測(cè)量,方法：保持勵(lì)磁電流不變(250mA)，改變霍爾元件位置(030.0cm) ，測(cè)量螺線管軸線上各點(diǎn)的霍爾電壓。,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例靈敏度的測(cè)定,表1測(cè)量霍爾電壓(已放大)與勵(lì)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),霍爾電壓與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線：,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例螺線管內(nèi)軸線磁場(chǎng)分布的測(cè)定,(表2：螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與位置X的關(guān)系),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例螺線管內(nèi)軸線磁場(chǎng)分布的測(cè)定,(續(xù)表2