實(shí)驗(yàn)十二-霍爾效應(yīng)法測(cè)定螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

1、 實(shí)驗(yàn)十二_霍爾效應(yīng)法測(cè)定螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布置于磁場(chǎng)中的載流體，如果電流方向與磁場(chǎng)垂直，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場(chǎng)，這個(gè)現(xiàn)象是霍普斯金大學(xué)研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應(yīng)。隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的測(cè)量已成為研究半導(dǎo)體材料的主要方法之一。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率可以判斷材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。若能測(cè)量霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系，還可以求出半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)電離能和材料的禁帶寬度。如今，霍爾效應(yīng)不但是測(cè)定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用該效應(yīng)制成的霍爾器件，由于

2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬（高達(dá)10GHz）、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于非電量測(cè)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)檢測(cè)和控制的今天，作為敏感元件之一的霍爾器件，將有更廣闊的應(yīng)用前景。了解這一富有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)，對(duì)日后的工作將有益處。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握測(cè)試霍爾元件的工作特性。2學(xué)習(xí)用霍爾效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)的原理和方法。3學(xué)習(xí)用霍爾元件測(cè)繪長(zhǎng)直螺線管的軸向磁場(chǎng)分布。二、實(shí)驗(yàn)原理1霍爾效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)原理霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖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(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向

3、電場(chǎng)，即霍爾電場(chǎng)。對(duì)于圖（1）（a）所示的N型半導(dǎo)體試樣，若在X方向的電極D、E上通以電流Is，在Z方向加磁場(chǎng)B，試樣中載流子（電子）將受洛侖茲力FevB（1）g其中e為載流子（電子）電量，為載流子在電流方向上的平均定向漂移速率，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。無(wú)論載流子是正電荷還是負(fù)電荷，F(xiàn)的方向均沿Y方向，在此力的作用下，載流子發(fā)生便移，則在Y方向g即試樣A、A電極兩側(cè)就開始聚積異號(hào)電荷而在試樣A、A兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)電位差VH，形成相應(yīng)的附加電場(chǎng)EH霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電壓VH稱為霍爾電壓，電極A、A稱為霍爾電極。電場(chǎng)的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。N型H半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為電子，P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為空穴。對(duì)N型

4、試樣，霍爾電場(chǎng)逆Y方向，P型試樣則沿Is(X),B(Z)E,0HE0H（N型）（P型）Y方向，有顯然，該電場(chǎng)是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，試樣中載流子將受一個(gè)與Fg方向相反的橫向電場(chǎng)力gFeE（2）EH其中eh為霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度。Fe隨電荷積累增多而增大，當(dāng)E達(dá)到穩(wěn)恒狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)力平衡，即載流子所受的橫向電場(chǎng)力eEh與洛侖茲力eVB相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就H達(dá)到平衡，故有eEeVB（3）H設(shè)試樣的寬度為b，厚度為d,載流子濃度為n則電流強(qiáng)度I與的V關(guān)系為sIs=neVbd（4）由（3）、（4）兩式可得5)Eb丄竺R竺HnedHd即霍爾電壓mA、a電極之間的電壓）與isB乘積成正比與試樣厚度d成反比

5、。比例系數(shù)r=n稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的元件稱為霍爾元件。由式（5）可見，只要測(cè)出VH（伏）以及知道Is（安）、B（高斯）和d（厘米）可按下式計(jì)算Rh（厘米3/庫(kù)侖）。VdR=,10-8（6）HIsB上式中的108是由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B用電磁單位（高斯）而其它各量均采用C、G、S實(shí)用單位而引入?；魻栐褪抢蒙鲜龌魻栃?yīng)制成的電磁轉(zhuǎn)換元件，對(duì)于成品的霍爾元件，其Rh和d已知，因此在實(shí)際H應(yīng)用中式（5）常以如下形式出現(xiàn)：KIB（7）HHSR1其中比例系數(shù)K二尹稱為霍爾元件靈敏度（其值由制造廠家給出），它表示該器件在單位工作電流Hdned和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下

6、輸出的霍爾電壓。I稱為控制電流。（7）式中的單位取Is為mA、B為KGS、VH為mV，則sHKh的單位為mV/（mAKGS）。Kh越大，霍爾電壓VH越大，霍爾效應(yīng)越明顯。從應(yīng)用上講，Kh愈大愈好。Kh與載流子濃度n成反比，半導(dǎo)體的載流子濃度遠(yuǎn)比金屬的載流子濃度小，因此用半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件，霍爾效應(yīng)明顯，靈敏度較高，這也是一般霍爾元件不用金屬導(dǎo)體而用半導(dǎo)體制成的原因。另外，Kh還與d成反比，因此霍爾元件一般都很薄。本實(shí)驗(yàn)所用的霍爾元件就是用N型半導(dǎo)體硅單晶切薄片制成的。由于霍爾效應(yīng)的建立所需時(shí)間很短（約10-1210-14S）,因此使用霍爾元件時(shí)用直流電或交流電均可。只是使用交流電時(shí)，所得

7、的霍爾電壓也是交變的，此時(shí)，式（7）中的I和VH應(yīng)理解為有效值。sH根據(jù)（7）式，因Kh已知，而Is由實(shí)驗(yàn)給出，所以只要測(cè)出VH就可以求得未知磁感應(yīng)強(qiáng)度B。VB（8）KI丿HS2.霍爾電壓VH的測(cè)量方法H應(yīng)該說(shuō)明，在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，因伴隨著多種副效應(yīng)，以致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的A、A兩電極之間的電壓并不等于真實(shí)的VH值，而是包含著各種副效應(yīng)引起的附加電壓，因此必須設(shè)法消除。根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理（參閱H附錄）可知，采用電流和磁場(chǎng)換向的對(duì)稱測(cè)量法，基本上能夠把副效應(yīng)的影響從測(cè)量的結(jié)果中消除，具體的做法是保持Is和B（即IM）的大小不變，并在設(shè)定電流和磁場(chǎng)的正、反方向后，依次測(cè)量由下列四組不同方向的Is和B

8、組合的A、A兩點(diǎn)之間的電壓V、V2、V3和V4，即卩+IS+Bv1+IS-Bv2-IS-Bv3-IS+Bv4然后求上述四組數(shù)據(jù)V、v2、V3和v4的代數(shù)平均值，可得9）V，-（VV+VV）H41234通過(guò)對(duì)稱測(cè)量法求得的vH雖然還存在個(gè)別無(wú)法消除的副效應(yīng)，但其引入的誤差甚小，可以略而不計(jì)。H（8）、（9）兩式就是本實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的依據(jù)。3載流長(zhǎng)直螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度螺線管是由繞在圓柱體上的導(dǎo)線構(gòu)成的，對(duì)于密繞的螺線管，可以看成是一列有共同軸線的圓形線圈的并排組合，因此一個(gè)載流長(zhǎng)直螺線管軸線上某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以從對(duì)各圓形電流在軸線上該點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行積分求和得到。根據(jù)畢奧一薩

9、伐爾定律，當(dāng)線圈通以電流IM時(shí)，管內(nèi)軸線上P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為I圖B，12NI（cosP-cosP）（10）P0M-2其中PO為真空磁導(dǎo)率，M=4nX10-7亨利/米，N為螺線管單位長(zhǎng)度的線圈匝數(shù)，IM為線圈的勵(lì)磁電流，B、B2分別為點(diǎn)P到螺線管兩端徑失與軸線夾角，如圖（2）所示。根據(jù)式（10），對(duì)于一個(gè)有限長(zhǎng)的螺線管，在距離兩端口等遠(yuǎn)的中心處軸上O點(diǎn)，cosP，-L2(L2)2+(D2)2cop，2L2(L2)2+(式中D為長(zhǎng)直螺線管直徑,此時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為最大，L為螺線管長(zhǎng)度。且等于，NI0M-L2(-L)2+(-D)222L-L2)(2L)2+(2D)2-) # #由于本實(shí)驗(yàn)儀所用的長(zhǎng)直螺

10、線管滿足LD，則近似認(rèn)為在兩端口處，B，NI00M（12）cosP，cop，0112L+(D)22 # #磁感應(yīng)強(qiáng)度為最小，且等于 B=1,NI120MLL2(12D)213)14)0O/0O/心FQi0O玩輸入fgV。輸出f丿1Im輸入yVf接測(cè)試儀接測(cè)試儀接測(cè)試儀帀輸出VH、Vc輸入圖（4）同理，由于本實(shí)驗(yàn)儀所用的長(zhǎng)直螺線管滿足LD,則近似認(rèn)為B=1,NI120M由（13）、（14）式可知，B二12B10由圖（3）所示的長(zhǎng)直螺線管的磁力線分布可知，其內(nèi)腔中部磁力線是平行于軸線的直線系，漸近兩端口時(shí)，這些直線變?yōu)閺膬啥丝陔x散的曲線，說(shuō)明其內(nèi)部的磁場(chǎng)在很大一個(gè)范圍內(nèi)是近似均勻的，僅在靠近兩端口

11、處磁感應(yīng)強(qiáng)度才顯著下降，呈現(xiàn)明顯的不均勻性。根據(jù)上面理論計(jì)算，長(zhǎng)直螺線管一端的磁感應(yīng)強(qiáng)度為內(nèi)腔中部磁感應(yīng)強(qiáng)度的1/2。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1霍爾元件輸出特性測(cè)量仔細(xì)閱讀本實(shí)驗(yàn)儀使用說(shuō)明書后，按圖（4）連接測(cè)試儀和實(shí)驗(yàn)儀之間相對(duì)應(yīng)的Is、VH和HIM各組連線，Is及IM換向開關(guān)投向上方，表明Is及IM均為正值（即Is沿X方向，B沿Z方向），反之為負(fù)值。vH、V切換開關(guān)投向上方測(cè)vH,投向下方測(cè)V。經(jīng)教師Ho檢查后方可開啟測(cè)試儀的電源。注意：圖3中虛線所示的部分線路即樣品各電極及線包引線與對(duì)應(yīng)的雙刀開關(guān)之間連線已由制造廠家連接好。必須強(qiáng)調(diào)指出：決不允許將測(cè)試儀的勵(lì)磁電源“IM輸出”誤接到實(shí)驗(yàn)儀的“Is輸入

12、”或“VHH輸出”處，否則一旦通電，霍爾元件即遭損壞！為了準(zhǔn)確測(cè)量，應(yīng)先對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行調(diào)零，即將測(cè)試儀的“Is調(diào)節(jié)”和“IM調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位，待開機(jī)數(shù)分鐘后若VH顯示不為零，可通過(guò)面板左下方小孔的“調(diào)零”電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)零，即“0.00”。H轉(zhuǎn)動(dòng)霍爾元件探桿支架的旋鈕X1、X2、Y，慢慢將霍爾器件移到螺線管的中心位置。測(cè)繪VHIs曲線H將實(shí)驗(yàn)儀的“VH、V”切換開關(guān)投向VH側(cè)，測(cè)試儀的“功能切換”置VHoHoHH取IM=0.800A，并在測(cè)試過(guò)程中保持不變。依次按表1所列數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)Is,用對(duì)稱測(cè)量法（詳見附錄）測(cè)出相應(yīng)的V、V2、V3和V4值，記入表1中,繪制VHIs曲線，并對(duì)該曲線進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

13、H表1I=0.800A-M,Is(mA)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)-+IS、+B+IS、-B-IS、-B-IS、+B4.00SSSS5.006.007.008.009.0010.00D.測(cè)繪VHIM曲線HM實(shí)驗(yàn)儀及測(cè)試儀各開關(guān)位置同上。取IS=8.00mA,并在測(cè)試過(guò)程中保持不變。依次按表2所列數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)IM，用對(duì)稱測(cè)量法測(cè)出相應(yīng)的V1V2V3和V4值，記入表2中，繪制VHIM曲M1234HM線，并對(duì)該曲線進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。注意：在改變IM值時(shí)，要求快捷，每測(cè)好一組數(shù)據(jù)后，應(yīng)立即切斷IM。表2IS=8.00mAIM(A)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)-+IS

14、、+B+IS、-B-IS、-B-IS、+B0.3000.4000.5000.6000.7000.8000.9001.0002測(cè)繪螺線管軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布曲線取IS=8.00mA,IM=0.800A，并在測(cè)試過(guò)程中保持不變。A.以螺線管軸線為X軸，相距螺線管兩端口等遠(yuǎn)的中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，探頭離中心位置X=14-X-X2,調(diào)節(jié)霍爾元件探桿支架的旋鈕X、X2，使測(cè)距尺讀數(shù)X=X2=0.0cm。先調(diào)節(jié)X旋鈕，保持X2=0.0cm,使X停留在0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、5.0、8.0、11.0、14.0cm等讀數(shù)處,再調(diào)節(jié)X2旋鈕，保持X1=14.0cm,使X2停留在3.0、6.0、9

15、.0、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0cm等讀數(shù)處，按對(duì)稱測(cè)量法測(cè)出各相應(yīng)位置的V】、V2、V3、V4值，并根據(jù)(8)、(9)兩式計(jì)算相對(duì)應(yīng)的VH及B值，記入表3中。1234HL2X(L2X)2(12D)2根據(jù)(10)式計(jì)算相對(duì)應(yīng)的理論B值，記入表3中，其中L2-XCOP=2,cosP，-112(L2-X)2(2D)2B.繪制BX曲線，對(duì)該曲線進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，并驗(yàn)證螺線管端口的磁感應(yīng)強(qiáng)度為中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的1/2(可不考慮溫度對(duì)VH的影響)。H將實(shí)驗(yàn)得到的螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度B值與計(jì)算得到的理論B值進(jìn)行比較，求出相對(duì)誤差（需考慮溫度對(duì)VH值的影響），并寫出計(jì)算理論值B與實(shí)驗(yàn)值

16、B時(shí)所需要的公式。如果誤差太大有可能是實(shí)驗(yàn)儀器中所提H供的霍爾元件靈敏度kh值有較大誤差所致，可根據(jù)理論值對(duì)kh值進(jìn)行簡(jiǎn)單修正。表3価呼，昭=0.80皿X1(cm)X2(cm)X(cm)V,(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)VH(mV)B(KGS)+Is、+B+Is、-B-Is、-B-Is、+B實(shí)驗(yàn)值理論值相對(duì)誤差0.00.00.50.01.00.01.50.02.00.05.00.08.00.011.00.014.00.014.03.014.06.014.09.014.012.014.012.514.013.014.013.514.014.0注：測(cè)繪BX曲線時(shí)，螺線管兩端口附近磁強(qiáng)

17、變化大，應(yīng)多測(cè)幾點(diǎn)?；魻栐`敏度Kh值和螺線管單位長(zhǎng)度線圈匝數(shù)N均標(biāo)在實(shí)驗(yàn)儀上。四、預(yù)習(xí)思考題1在什么樣的條件下會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓，它的方向與哪些因素有關(guān)？2實(shí)驗(yàn)中在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生那些副效應(yīng)，它們與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流Is有什么關(guān)系，如何消除副效應(yīng)的影響？3采用霍爾元件來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)具體要測(cè)量哪些物理量？4用霍爾元件測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，如果磁場(chǎng)方向與霍爾元件片的法線不一致，對(duì)測(cè)量結(jié)果有什么影響？如何用實(shí)驗(yàn)方法判斷B與元件法線是否一致？5能否用霍爾元件測(cè)量交變磁場(chǎng)？ AIs等勢(shì)面I1圖(5)11A實(shí)驗(yàn)中霍爾元件的副效應(yīng)及其消除方法(1)不等勢(shì)電壓降Vo如圖(5)所示，由于元件的測(cè)量霍爾電壓的A、A

18、兩電極不可能絕對(duì)對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，位置不在一個(gè)理想的等勢(shì)面上，因此，即使不加磁場(chǎng)，只要有電流Is通過(guò)，就有電壓-Vo=Isr產(chǎn)生，其中r為A、A所在的兩個(gè)等勢(shì)面之間的電阻，結(jié)果在測(cè)量VH時(shí)，就疊加了Vo，使得V/直偏大，(當(dāng)Vo與VH同號(hào))或偏小(當(dāng)Vo與VH異號(hào))。由于目前生產(chǎn)工藝水平較高，不HH樣N型半導(dǎo)體硅單晶切薄片只有幾百微伏左右，故一般可以忽略不計(jì)，也可以用一支電位器加以平衡。在本實(shí)驗(yàn)中，VH的符號(hào)取決于Is和B兩者的方向，而Vo只與Is的方向有關(guān)，而與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向無(wú)關(guān)，因此VoH可以通過(guò)改變Is的方向予以消除。2)熱電效應(yīng)引起的附加電壓VEE如圖(6)所示，由于實(shí)際上載

19、流子遷移速率V服從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，構(gòu)成電流的載流子速度不同，若速度為圖(6)v的載流子所受的洛侖茲力與霍爾電場(chǎng)的作用力剛好抵消，則速度小于v的載流子受到的洛侖磁力小于霍爾電場(chǎng)的作用力，將向霍爾電場(chǎng)作用力方向偏轉(zhuǎn)，速度大于v的載流子受到的洛侖磁力大于霍爾電場(chǎng)的作用力，將向洛侖磁力力方向偏轉(zhuǎn)。這樣使得一側(cè)高速載流子較多，相當(dāng)于溫度較高，另一側(cè)低速載流子較多，相當(dāng)于溫度較低，從而在Y方向引起溫差TA-TA,，由此產(chǎn)生的熱電效應(yīng)，在A、A電極上引入附加溫差VE，這種現(xiàn)象稱為愛延好森效應(yīng)。這種效應(yīng)的建立需要一定的時(shí)間，如果采用直流電則由于愛延好森效應(yīng)的存在而給霍爾電壓的測(cè)量帶來(lái)誤差，如果采用交流電，則由于

20、交流變化快使得愛延好森效應(yīng)來(lái)不及建立，可以減小測(cè)量誤差，因此在實(shí)際應(yīng)用霍爾元件片時(shí)，一般都采用交流電。由于Ve*IsB，其符號(hào)與Is和B的E方向的關(guān)系跟VH是相同的，因此不能用改變Is和B方向的方H法予以消除，但其引入的誤差很小，可以忽略。dTd?(3)熱磁效應(yīng)直接引起的附加電壓VN如圖(7)所示因器件兩端電流引線的接觸電阻不等，通電后在接點(diǎn)兩處將產(chǎn)生不同的焦?fàn)枱?，?dǎo)致在X方向有溫度梯度，引起載流子沿梯度方向擴(kuò)散而產(chǎn)生熱擴(kuò)散電流，熱流Q在z方向磁場(chǎng)作用下，類似于霍爾效應(yīng)在Y方向上產(chǎn)生一附加電場(chǎng)N，相應(yīng)的電壓VN-QB，而VN的符號(hào)只與B的方向有關(guān)，與Is的方向無(wú)關(guān)，因此可通過(guò)改變B的方向予以消

21、除。圖(7)圖(8)(4)熱磁效應(yīng)產(chǎn)生的溫差引起的附加電壓VRLRL如圖(8)所示，(3)中所述的X方向熱擴(kuò)散電流，因載流子的速度統(tǒng)計(jì)分布，在Z的方向的磁場(chǎng)B作用下，和(2)中所述的同一道理將在Y方向產(chǎn)生溫度梯度TA-TA,，由此引入的附加電壓VRL*QB,VRL的符號(hào)只與BAARLRL的方向有關(guān)，亦能消除。綜上所述，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的A、A之間的電壓除VH外還包含VOVN、VRLHO、NRL和VE各電壓的代數(shù)和，其中VO、VN和VRH均通過(guò)Is和B換向?qū)ΨQ測(cè)量法予以消除。具體方法是在規(guī)定了電流EONRH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。設(shè)Is和B的方

22、向均為正向時(shí)，測(cè)得A、A之間電壓記為V,即當(dāng)+】S、+B時(shí)V1=VH+VO+VN+VRL+VE將B換向，而IS的方向不變，測(cè)得的電壓記為V2，此時(shí)VVN、Vrl、Ve均改號(hào)而VO符號(hào)不變，即當(dāng)+】S、-B時(shí)V2=-VH+VO-VN-VRL-VE同理，按照上述分析當(dāng)、-B時(shí)V3=VH-VO-VN-VRL+VE當(dāng)、+B時(shí)V4=-VH-VO+VN+VRL-VE求以上四組數(shù)據(jù)V、V2、V3和v4的代數(shù)平均值，可得由于VE符號(hào)與IS和B兩者方向關(guān)系和VH是相同的，故無(wú)法消除，但在非大電流，非強(qiáng)磁場(chǎng)下，VHVE，ESHHE因此VE可略而不計(jì)，所以霍爾電壓為ETH-S型螺線管磁場(chǎng)測(cè)定實(shí)驗(yàn)組合儀使用說(shuō)明書一、

23、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介TH-S型螺線管磁場(chǎng)測(cè)定實(shí)驗(yàn)組合儀全套設(shè)備由實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀兩大部分組成。A、實(shí)驗(yàn)儀長(zhǎng)直螺線管長(zhǎng)度L=28cm，單位長(zhǎng)度的線圈匝數(shù)N（匝/米）和霍爾元件靈敏度Kh均標(biāo)注在實(shí)驗(yàn)儀上。2霍爾元件和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)霍爾元件如圖（1）所示，它有兩對(duì)電極，A、A電極用來(lái)測(cè)量霍爾電壓VH,D、D電極為工作電流電極,H兩對(duì)電極用四線扁平線經(jīng)探桿引出，分別接到實(shí)驗(yàn)儀的IS換向開關(guān)和VH輸出開關(guān)處。SH霍爾元件的靈敏度Kh與載流子濃度n成反比，因半導(dǎo)體材料的載流子濃度n隨溫度變化而變化，故Kh與溫度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)儀上給出了該霍爾元件在15C時(shí)的Kh值。+YD圖（）樣品示意圖實(shí)驗(yàn)儀如圖（2）所示，探桿固定在二維（X

24、、Y方向）調(diào)節(jié)支架上。其中Y方向調(diào)節(jié)支架通過(guò)旋鈕Y調(diào)節(jié)探桿中心軸線與螺線管內(nèi)孔軸線位置，應(yīng)使之重合。X方向調(diào)節(jié)支架通過(guò)旋鈕X、X2調(diào)節(jié)探桿的軸向位置。二維支架上設(shè)有X、X2及Y測(cè)距尺，用來(lái)指示探桿的軸向及縱向位置。當(dāng)前利用二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的同類產(chǎn)品中，只能測(cè)試螺線管本實(shí)驗(yàn)儀專門設(shè)置了X、X2兩個(gè)互補(bǔ)的軸向調(diào)節(jié)支架，實(shí)現(xiàn)了從螺線管一端到另一端的整個(gè)軸冋磁場(chǎng)分布曲線的測(cè)試，且調(diào)節(jié)平衡，可靠，讀數(shù)準(zhǔn)確。同時(shí)也克服了當(dāng)前另一些同類產(chǎn)品如探桿直接推拉法，滑輪拉線法等結(jié)構(gòu)粗糙、讀數(shù)不準(zhǔn)，易出故障的缺點(diǎn)。儀器出廠前探桿中心軸線與螺線管內(nèi)孔軸線已按要求進(jìn)行了調(diào)整，因此，實(shí)驗(yàn)中，Y旋鈕無(wú)需調(diào)節(jié)。如操作者想使霍爾探頭

25、從螺線管的右端移至左端，為調(diào)節(jié)順手，應(yīng)先調(diào)節(jié)X旋鈕，使調(diào)節(jié)支架X的測(cè)距尺讀數(shù)X從0.014.0四鏡扁平鏡霍爾器件AAooopOOOOO000000(/0/.OOOOOOOOOOOOOOOOO探桿-10/14154-llllllAADcm,再調(diào)節(jié)X2旋鈕,使調(diào)節(jié)支架x2測(cè)距尺讀DDVH實(shí)驗(yàn)儀示意圖MM數(shù)X2從0.H4.0cm,反之，要使探頭從螺線管左端移至右端，應(yīng)先調(diào)節(jié)X2，讀數(shù)從14.0cm0.0,再調(diào)節(jié)X,讀數(shù)從14.0cm0.0?；魻柼筋^位于螺線管的右端，中心及左端，測(cè)距尺指示為：位置右端中心左端測(cè)距尺讀數(shù)（cm）X101414X20014工作電流IS及勵(lì)磁電流IM換向開關(guān)；霍爾電壓VH輸

26、出開關(guān)。三組開關(guān)與對(duì)應(yīng)的霍爾器件及螺線管線包SMH間連線出廠前均已接好。B、測(cè)試儀（如圖（3）所示）“IS輸出”霍爾器件工作電流源，輸出電流010mA，通過(guò)IS調(diào)節(jié)旋鈕連續(xù)調(diào)節(jié)?！癐M輸出”螺線管勵(lì)磁電流源，輸出電流01A。通過(guò)IM調(diào)節(jié)旋鈕連續(xù)調(diào)節(jié)。上述兩組恒流源讀數(shù)可通過(guò)“測(cè)量選擇”按鍵共用一只31/2位LED數(shù)字電流表顯示，按鍵測(cè)IM，放鍵測(cè)IS。直流數(shù)字電壓表32位數(shù)字直流毫伏表，供測(cè)量霍爾電壓用。電壓表零位可通過(guò)面板左下方調(diào)零電位器旋鈕進(jìn)行校正。、技術(shù)指標(biāo)1勵(lì)磁恒流源IM輸出電流01A,連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)1mA。最大輸出負(fù)載電壓12V。電流穩(wěn)定度優(yōu)于103（交流輸入電壓變化10）。

27、電流溫度系數(shù)10-3。負(fù)載穩(wěn)定度優(yōu)于103（負(fù)載由額定值變?yōu)榱悖?。電流指?2位發(fā)光管數(shù)字顯示，精度不低于0.5%。2樣品工作恒流源IS輸出電流010mA,連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度可在10pAo最大輸出負(fù)載電壓12V。電流穩(wěn)定度優(yōu)于10-3（交流輸入電壓變化10%）。電流溫度系數(shù)10-3。負(fù)載穩(wěn)定度優(yōu)于10-3（負(fù)載由額定值變?yōu)榱悖?。電流指?2位發(fā)光管數(shù)字顯示，精度不低于0.5%。3直流數(shù)字毫伏表測(cè)量范圍土20mV。32位發(fā)光管數(shù)字顯示，精度不低于0.5%。注：IS和IM兩組恒流源也可用于需要直流恒流供電的其他場(chǎng)合，用戶只要將“VH”短接，可按需要選取一SMH組或兩組恒流源使用均可。三、使用說(shuō)明測(cè)

28、試儀的供電電源為220V，50Hz。電源進(jìn)線為單相三線。電源插座和電源開關(guān)均安裝在機(jī)箱背面，保險(xiǎn)絲為0.5A，置于電源插座內(nèi)。3霍爾器件各電極及線包引線與對(duì)應(yīng)的雙刀開關(guān)之間連線出廠前均已接好。測(cè)試儀面板上的“IS輸出”、“IM輸出”和“VH輸入”三對(duì)接線柱應(yīng)分別與實(shí)驗(yàn)儀上的三對(duì)相應(yīng)的接線柱正確連接。儀器開機(jī)前應(yīng)將IS、IM調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針?lè)较蛐降?，使其輸出電流趨于最小狀態(tài)，然后再開機(jī)。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀上X及X2旋鈕，使測(cè)距尺X及X2讀數(shù)均為零，此時(shí)霍爾探頭位于螺線管右端。實(shí)驗(yàn)時(shí)，如要使探頭移至左端應(yīng)先調(diào)節(jié)X1旋鈕，使X1由0-14cm,再調(diào)節(jié)X2旋鈕，使X2由0-14cm,如要使探頭右移,應(yīng)先調(diào)節(jié)X2，再調(diào)節(jié)X1。注意：嚴(yán)禁魯莽操作，以免損壞設(shè)備。儀器接通電源后，預(yù)熱數(shù)分鐘即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。“IS調(diào)節(jié)”和“IM調(diào)節(jié)”分別用來(lái)控制樣品工作電流IS和勵(lì)磁電流IM的大小。其電流隨旋鈕順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)而增加，細(xì)心操作，調(diào)節(jié)的精度分別可達(dá)10pA和1mA。IS和IM讀數(shù)可通過(guò)“測(cè)量選擇”按鍵