20xx初中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)報(bào)告2(編輯修改稿)
2025-01-14 22:23 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 使實(shí)驗(yàn)更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，從而使得實(shí)驗(yàn)方法具有可實(shí)施性和借鑒性。
二、設(shè)計(jì)原理
2．1簡介
置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場，這一現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應(yīng)。如今霍爾效應(yīng)不但是測定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，而且利用該效應(yīng)制成的霍爾器件已廣泛用于非電量的電測量、自動(dòng)控制和信息處理等方面。在工業(yè)生產(chǎn)要求自動(dòng)自動(dòng)檢測和控制的今天，作為敏感元件之一的霍爾器件，將有更廣泛的應(yīng)用前景。掌握這一富有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)，對(duì)日后的工作將有益處。
霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差就被叫做霍爾電勢(shì)差。
導(dǎo)體中的載流子在外加磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓。正交電場和電流強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場和電流強(qiáng)度之比就是電阻率。
因此，對(duì)于一個(gè)已知霍爾系數(shù)的導(dǎo)體，通過一個(gè)已知方向、大小的電流，同時(shí)測出該導(dǎo)體兩側(cè)的霍爾電勢(shì)差的方向與大小，就可以得出該導(dǎo)體所處磁場的方向和大小。
霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場，即霍爾電場eh。如圖21所示的半導(dǎo)體式樣，若在x方向通以電流ih，在z方向加磁場b，則在y方向即試樣24電極兩側(cè)就開始聚集異號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場。電場的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。對(duì)圖21所示的n型試樣，霍爾電場為?y方向。顯然，霍爾電場eh是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)載流子所受的橫向電場力eeh與洛倫茲力相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，故：
（） eeh?
其中eh為霍爾電場，是載流子在電流方向上的平均漂移速度。圖21 霍爾片示意圖
霍爾效應(yīng)是運(yùn)動(dòng)的載流子在磁場中受到洛倫茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，利用霍爾效應(yīng)原理。作出來的電子元件統(tǒng)稱為霍爾元件，本實(shí)驗(yàn)所用的的霍爾元件是一個(gè)長方形的均勻半導(dǎo)體薄片，稱為霍爾片。
如圖所示，其寬為b ，厚度為d 。如果把元件置于垂直于元件平面的磁場b 中，當(dāng)通入電流i （與b 方向垂直）時(shí)，載流子（ n 型半導(dǎo)體為帶負(fù)電荷的電子， p 型半導(dǎo)體為 ?帶正電荷的空穴）在磁場中受洛倫茲力fm的作用而偏轉(zhuǎn)，從而在側(cè)面形成電勢(shì)差ub（霍 爾電壓）。設(shè)載流子平均速率為vd每個(gè)載流子的電荷量為e，當(dāng)載流子所受洛倫茲力與霍爾元件表面電荷
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