霍尔效应及磁阻效应讲义

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磁阻效应实验PPT课件

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2.用 磁 阻传感 器测量 一个未 知的磁 场强度 (275mT),与毫特计测得的磁场强度相比较, 估算测量误差.
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每一个数据点测量两组数据:磁场强度和磁电阻(电压) 霍尔、磁阻元件
IM
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磁阻效应测量电路示意图——伏安法
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实 验 仪 器
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Δρ=ρ(B)-ρ(0)
由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/R(0)正
比于Δρ/ρ(0),因此也可以用磁阻传感器电阻的
相对改变量ΔR/R(0)来表示磁阻效应的大小.
ΔR=R(B)-R(0)
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实验原理
R R(0)
一般情况下外加磁场较
弱时,电阻相对变化率
正比于磁感应强度B的
二次方;随磁场的加强,
*(6)误差分析 (7)签字数据
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感谢您的观看!
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实验原理
一定条件下,导电材料的电阻值R随磁感应强度B变化的规律称为磁阻效应。 应用这种效应做成的传感器称为磁阻元件。
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实验原理
图1 霍尔效应
当导体或半导体 处于磁场中时, 导体或半导体的 载流子将受洛仑 兹力的作用,发 生偏转,在两端产 生积聚电荷并产 生霍耳电场。
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实验原理

ΔR/R(0) ~B关系曲线 (IS=1mA)
电磁铁 InSb
ΔR/R(0) ~B关系
据 IM(mA) UR(mV) B(mT)
R(Ω) ΔR/R(0)

0

10
20
100
150
500
275
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霍尔效应及磁阻效应讲义

霍尔效应及磁阻效应讲义

通过霍尔效应测量磁场实验简介在磁场中的载流导体上出现横向电势差的现象是24岁的研究生霍尔(Edwin H. Hall)在1879年发现的,现在称之为霍尔效应。

随着半导体物理学的迅猛发展,霍尔系数和电导率的测量已经成为研究半导体材料的主要方法之一。

通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。

若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系,还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。

在霍尔效应发现约100年后,德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)等研究半导体在极低温度和强磁场中发现了量子霍尔效应,它不仅可作为一种新型电阻标准,还可以改进一些基本量的精确测定,是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之一,克利青为此发现获得1985年诺贝尔物理学奖。

其后美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui)和施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应。

它的发现使人们对宏观量子现象的认识更深入一步,他们为此发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。

用霍尔效应之制备的各种传感器,已广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理各个方面。

本实验的目的是通过用霍尔元件测量磁场,判断霍尔元件载流子类型,计算载流子的浓度和迁移速度,以及了解霍尔效应测试中的各种副效应及消除方法。

实验原理通过霍尔效应测量磁场霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。

将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B 的方向沿z轴方向),当沿y方向的电极A、A’上施加电流I时,薄片内定向移动的载流子(设平均速率为u)受到洛伦兹力F B的作用,= q u B (1)FB无论载流子是负电荷还是正电荷,F B 的方向均沿着x 方向,在磁力的作用下,载流子发生偏移,产生电荷积累,从而在薄片B 、B’两侧产生一个电位差V BB ’,形成一个电场E 。

电场使载流子又受到一个与F B 方向相反的电场力F E ,F E =q E = q V BB’ / b(2)其中b 为薄片宽度,F E 随着电荷累积而增大,当达到稳定状态时F E =F B ,即q uB = q V BB’ / b(3)这时在B 、B’两侧建立的电场称为霍尔电场,相应的电压称为霍尔电压,电极B 、B’称为霍尔电极。

霍尔效应的讲解

霍尔效应的讲解
霍尔效应在许多领域都有广泛的应用
例如,在测量磁场强度时需要使用霍尔传感器;在 设备时需要使用霍尔开关;在电力系统中需要使用 互感器;在通信系统中需要使用霍尔效应放大器等
6
研究价值
研究价值
01
霍尔效应的研究价值在于它为人们 提供了一种测量磁场和电流强度的 新方法,同时也有助于人们深入理
解电子在固体材料中的行为
03
这种现象就是霍尔效应
1
原理
原理
1
霍尔效应的原理可以用以下 公式表示:V=IRB,其中V是 电势差,I是电流强度,R是
霍尔常数,B是磁场强度
2
公式表明,当电流通过一个置 于磁场中的导体时,由于洛伦 兹力的作用,电子会向一侧偏 移,导致在该侧形成电势差
2
实验装置
实验装置
实验装置包括电源、磁 铁、导线、开关和电压 表等
磁场对电子运动的影响
因此,研究霍尔效应具有重要的意 义和价值
8
霍尔效应的应用
霍尔效应的应用
霍尔效应的应用 非常广泛,以下 是一些主要的应
用领域
1. 霍尔传感器
霍尔传感器是一种利 用霍尔效应的磁敏元 件,可以测量磁场强 度和方向。在工业自 动化、航空航天、交 通运输等领域,霍尔 传感器被广泛应用于 测量和控制系统
感谢同事以及舍友的帮助 感谢评审!
将导线放置在磁铁的两 极之间,接通电源后, 电流会通过导线并受到 磁场的作用,从而产生 霍尔效应
通过测量电势差和电流 强度,可以计算出霍尔 常数和磁场强度
3
现象描述
现象描述
在霍尔效应中,当电 流通过置于磁场中的 导体时,电子会向一 侧偏移,导致在该侧
形成电势差
01
这个电势差被称为 霍尔电压,其大小 与电流强度和磁场

固体物理第五章5.5 霍尔系数和磁致电阻效应

固体物理第五章5.5 霍尔系数和磁致电阻效应
* * * 1 m m m E (B E) (B E) B (B E) 2 2 2 2 2 2 2 2 1 c 1 c 1 c 1 c * 1 m 2 E ( B E ) 2 2 2 2 1 c 1 c
这与前面得到的结果相同。
e 对于 E D * ( B D) 这一关于D的矢量方程来说, m
霍尔角 H 的正切函数定义为霍尔电场 EH 与沿电流方向电场 E// 之比,即: e e EH * 0 BJ / 0 J * B tan H m m E//
可以证明它的解为:
* 1 m E (B E) (6.4.14) 2 2 2 2 1 c 1 c e * e 1 m 将 D E ( B E ) 代入 E D * ( B D) 中得: 2 2 2 2 m 1 c 1 c
* * 10 20 10e1 / m1 20e 2 / m2 J E (B E) 2 2 2 2 2 2 2 2 1 c 2 2 1 c11 1 c 2 2 1 c11
假定磁场沿 z 轴方向,电场在x-y平面内.
将 Di mi* 1 E ( B E ) J J1 J 2 1D1 2 D2
J1 10 D1
* 10 10e1 / m1 E (B E) 2 2 2 2 1 c11 1 c11
* 10 10 e 1 / m1* 20e 2 / m2 20 Jy E BEx 2 2 2 2 y 2 2 2 2 1 c 2 2 1 c1 1 1 c 2 2 1 c1 1 10c1 1 20c 2 2 10 20 E E 2 2 2 2 x 2 2 2 2 y 1 c1 1 1 c 2 2 1 c1 1 1 c 2 2

霍尔效应专题教育课件

霍尔效应专题教育课件

背景简介
分数量子霍尔效应
崔琦
Horst Stormer
用高纯度半导体材料,在超低温 环境:仅比绝对零度高十分之一 摄氏度(约-273℃),超强磁 场:当于地球磁场强度100万倍 研究量子霍尔效应时发觉了分数 量子霍尔效应,这个发觉使人们
对量子现象旳认识更进一步。
Robert Laughlin
构造出了分数量子霍尔系统旳解 析波函数,给分数量子霍尔效应 作出了理论解释
fe eEH
(3)(此力方向向上)
电子受到电场力 fe 和磁场力 fB 旳作用,一方面使电
子向下偏移,另一方面电子又受到向上旳阻碍电子向下偏移
旳力。因为这两个力旳作用所以电子在半导体试样侧面旳积
累不会无限止地进行下去:在开始阶段,电场力比磁场力小,
电荷继续向侧面积累,伴随积累电荷旳增长,电场力不断增
霍尔效应中旳负效应
能斯特效应
沿x方向通以电流,两端电极与样品旳 接触电阻不同而产生不同旳焦耳热,致 使x方向产生温度梯度,这一温度梯度 引起一附加旳纵向热扩散电流,在磁场 旳作用下,从而在y轴方向产生横向电 位差,为能斯特电压。
UN∝Qx·Bz
UN方向只与B方向有关。
霍尔效应中旳负效应
里吉-勒迪克效应
4、当代汽车工业上应用
汽车上广泛应用旳霍尔器件就涉及:信号传感器、 ABS系统中旳速度传感器、汽车速度表和里程表、液体 物理量检测器、多种用电负载旳电流检测及工作状态诊 疗、发动机转速及曲轴角度传感器、多种开关等。
例如用在汽车开关电路上旳功率霍尔电路,具有 克制电磁干扰旳作用。因为汽车旳自动化程度越高,微 电子电路越多,就越怕电磁干扰。而汽车上有许多灯具 和电器件在开关时会产生浪涌电流,使机械式开关触点 产生电弧,产生较大旳电磁干扰信号。采用功率霍尔开 关电路就能够减小这些现象。

磁阻效应实验讲义

磁阻效应实验讲义

磁阻效应一基础知识介绍1857年,英国物理学家威廉•汤姆逊(William Thomson)发现了磁阻效应(Magnetoresistance effect)。

磁阻效应是指半导体在外加磁场作用下电阻率增大的现象。

当半导体受到与电流方向垂直的磁场作用时,由于半导体中载流子的速度有一定的分布,某些速度的载流子,霍尔电场的作用与洛伦兹力的作用刚好抵消,这些载流子的运动方向不偏转,而大于或小于此速度的载流子,运动方向发生偏转,导致沿电流方向的速度分量减小,电流变弱,从而电阻率增加。

本实验研究锑化铟片的电阻与磁感应强度变化的关系。

二实验仪器锑化铟片、电磁铁(具体参数见仪器)、稳压电源(5 V)、恒流源、滑线式电桥、检流计、滑动变阻器、电阻箱(0~100000 Ω)、万用表、双刀开关、单刀开关以及导线若干。

锑化铟样品示意图:(a ) 锑化铟片, B 为外加磁场的磁感应强度,I S 为通过锑化铟片的工作电流(b ) 锑化铟片管脚图三 实验内容:1)利用给定的实验仪器进行设计和实验。

2)画出测量框图。

3)线圈的励磁电流在0 ~ 0.800 A 之间,测量20组以上磁阻数据。

4)在坐标纸上标出B R R ~)0(/∆关系的实验数据点,根据实验数据点图,分析)0(/R R ∆与 B 的关系。

其中)0(R 是不加磁场时的电阻, R ∆是加磁场后的电阻与不加磁场时电阻的差值,B 以特斯拉(T )为单位。

5)当工作电流方向为1,3方向时,测量2,4方向的电阻。

线圈的励磁电流在0 ~ 0.800 A 之间,在坐标纸上标出 B R R ~)0(/∆关系图。

四.注意事项:锑化铟片的工作电流小于3.00 mA ,线圈励磁电流小于1.000 A 。

1.6霍尔效应和磁阻

1.6霍尔效应和磁阻

单电子的准经典动力学方程变为
dp e(E v B) p(t)
dt
p mv 是电子的动量
假定磁场B平行于z轴,电场E与B垂直,位于 xy 平面
考虑在稳态情形下 dp 0 dt
所以,动力学方程变为 e(E v B) p(t) 0
将方程写成分量形式
e(E v B) p(t) 0
整 理 方 程
eEx
evy B
m
vx
0
eE y
evx B
m
vy
0
利用
0
ne2
m
0 0
(eEx (eEy
evy evx
B B
m
m
vx vy
) )
0 0
0Ex
0Ey
ne2
( m
ne2
m
vyB nevx vxB nevy
)0Ex Fra bibliotek0Ey
( ne2
m
ne2
m
vy B nevx vxB nevy
y
FB
电子运动方向
x
霍尔效应示意图
二、磁阻
在外磁场作用下,在电流方向电阻率的变化。 按以上理论分析,横向磁阻为0,但对金属的测量 表明,实际上并不为0,有时甚至相当大。
Ey
c 0
Jx
eB m
ne2
m
Jx
B ne
Jx
Ey
B ne
Jx
可以理解为与电子所受洛伦兹力相平衡的电场
按照霍尔系数的定义
RH
Ey J x Bz

RH
1 ne
可见,霍尔系数仅依赖于自由电子气体的电子密度n
反之,我们可以通过测量霍尔系数来 检验金属自由电子气体模型的正确性

《半导体磁阻效应》PPT课件

《半导体磁阻效应》PPT课件

通过计算得到多次散射后的平均速度为
v x
v
y
1
N0
v x N 0Pe- ptdt
0
1
N0
v y N 0Pe- ptdt
0
-q m*
-q m*
1
E x 2
2
1
E y 2
2
-
2E y 1 2 2
2E x 1 2 2
式为中常,数。N0为t=0时未收到散射的电子数, 1为/P平均自由时间,假定其
n型半导体
饱和区:载流子主要由杂质电离贡献,即
n N D p
此时有
p nb2 0
RH
-1
qN D
0
本征区:随着T的升高,
p
nb 2
逐渐变大,
(-)
RH
1/T
RH且 0 逐渐R变H 小。
霍尔效应的应用
测定载流子的浓度和迁移率
➢ n型和p型半导体的霍尔电场方向相反,故霍尔系数的符号是相反的, 由此可以来判断半导体的类型;通过测得的RH 与可以求得载流子的 浓度;在测出电导,可以得到霍尔迁移率。
这样,在E、B的作用下,电流密度为
J x
J
y
-nqv x -nqv y
nq 2 m*
1
E x 2 2
nq 2 m*
1
E y 2 2
-
2E y 1 2 2
2E x 1 2 2
引入霍尔电导率和霍尔电导的概念, xx , xy , yx , yy ,xx ,xy ,yx ,yy
霍尔迁移率与迁移率的比值为
H
p
H
n
p2v 2 v 2 pv 2 2
n2v 2 v 2 nv 2 2

霍尔效应实验与磁阻测量

霍尔效应实验与磁阻测量

【实验名称】霍尔效应实验及磁阻测量【实验目的】(1)了解霍尔效应的产生原理以及副效应的产生原理;(2)掌握霍尔系数的测量方法,学习消除霍尔副效应的实验方法;(3)研究半导体材料的电阻值随磁场的变化规律。

【实验原理】Ⅰ霍尔效应其中 UH为霍尔电压,RH为霍尔系数, HH K Rd = 为霍尔片的灵敏f B=evB在 fB的作用下,电荷将在元件的两边积累且形成一横向电场E,该电场对载流子产生一个方向和 fB相反的静电场力 fE,其大小为:f E=eEf E阻碍着电荷的进一步积累,最后达到平衡状态时有f B = f E,即evB=eE=eUH/b。

于是 1、2 两点间的电位差为:U H=vbB控制电流I与载流子电荷e、载流子浓度n、载流子漂移速度v及霍尔片的截面积bd之间的关系为I=nevbd,则U H=IB/nedR H=1/neK H=R H/d若霍尔电压UH用V为单位,霍尔片的厚度d用 m为单位,电流I用A为单位,磁感应强度B用T为单位,则霍尔系数的单位是m3/C(米3/库仑)。

【说明】:本次实验简化计算,A近似为1。

Ⅱ磁电阻效应【实验容】(1)设计和安装实验电路,电路如右电流表示数(mA)电压表示数(mV)UH(mV)(2)测量霍尔片输出电压UH与输入电流I的关系曲线,要求电流源2.00~8.00mA,间隔 1.00mA,每个测量点应测4 组数据。

课后画出 UH~I 关系曲线,计算霍尔片的灵敏度 KH和载流子浓度 n。

(*3)判断载流子的类型是空穴还是电子。

(*4)测定磁极间隙磁场的分布曲线。

(5)研究锑化铟磁阻器件的磁电阻效应(A、B 端短路条件),本实验要求测量磁电阻ΔR/R(0)随磁场的变化规律,磁场电流 IM:0~1000mA,间隔 100mA。

【数据处理】1:霍尔效应励磁电流I M= 500 mA B= 128.1mT 作图如下:其中斜率为24.79由于U H=K H IB=R H IB/d所以K H=U H/(I*B)= 193.5π/TR H= K H*d=2:励磁电流与磁感应强度工作电流I= 4.00mA3:磁电阻效应(A、B短路)I CD= 1.40mA【选作】4:测量B-x磁场分布5:判断载流子类型:。

(整理)霍尔效应-讲义

(整理)霍尔效应-讲义

霍尔效应霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。

从本质上讲,霍尔效应是电流的一种磁效应。

1879年,美国霍普金斯大学24岁的研究生霍耳在研究载流导体在磁场中受力性质时发现了这一电磁现象——霍尔效应。

随后人们在半导体、导电流体中也发现了霍耳效应,且半导体的霍耳效应比金属强得多。

霍耳效应发现约100年后,1980年由德国科学家克利青等人又发现了整数量子霍耳效应(IQHE),并于1985年获得了诺贝尔物理学奖。

1982年,崔琦、施特默和劳夫林又发现了分数量子霍耳效应(FQHE),获得了1998年诺贝尔物理学奖。

随着科学技术的发展,霍耳效应已在测量、自动控制、计算机和信息技术等方面得到了广泛的应用,主要用途有以下几个方面:(1)测量磁场;(2)测量直流或交流电路中的电流强度和功率;(3)转换信号,如把直流电流转换成交流电流并对它进行调制,放大直流和交流信号;(4)对各种物理量(可转换成电信号的物理量)进行四则运算和乘方开方运算。

由霍耳效应制成的霍耳元件具有结构简单而牢靠、使用方便、成本低廉等优点,在生产和科研实际中得到越来越普遍的应用。

【实验目的】1.了解霍尔效应的原理;2.掌握霍尔电压的测量方法,学会用霍尔器件测量磁场;3.测量霍尔器件的输出特性。

【实验仪器】DH4512系列霍尔效应实验仪【实验原理】一、霍尔效应的基本原理与应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的作用而引起的偏转。

当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横向电场。

对于(图10-1)所示的半导体试样,若在X方向通以电流I,在Z方向加磁场B,则在Y方向即试样A、A 电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场。

电场的指向取决于试样的导电类型。

显然,该电场是阻止载流子继续向侧面偏移,当载流子所受的横向电场力H eE 与洛仑兹力eVB 相等时,样品两侧电荷的积累就达到平衡,故有:H eE eVB = (10-1)其中,H E 为霍尔电场,V 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

霍尔效应和磁阻

霍尔效应和磁阻

磁阻的应用领域
硬盘驱动器
磁性随机存取存储器
磁力发电机
磁力传感器
磁阻技术的发展趋势
磁阻技术的基本原理和特 点
磁阻技术的应用领域
磁阻技术的最新进展和突 破
磁阻技术的未来发展方向 和趋势
磁阻技术的前景展望
磁阻技术的应用领域将不断扩大,涉及到计算机、通信、能源等多个领域。
随着技术的不断进步,磁阻的效率将进一步提高,为未来的能源和交通领域带来更大的变革。

霍尔效应原理: 在磁场中运动 的导体,会产 生横向电势差
的现象
霍尔效应的应 用:测量磁场 强度、电子速 度、导体电阻

霍尔效应的意 义:推动了电 磁学的发展, 对现代电子学、 通讯等领域有
重要影响
霍尔效应的应用
霍尔传感器:测量磁场和电流 霍尔电机:利用磁场和电流产生旋转力矩 霍尔开关:利用磁场控制电路的通断 磁阻技术:利用磁阻效应实现磁感应信号的检测
磁阻定义:磁阻是指电流在磁场中受到的阻力,与磁场和电流的方向有关。
磁阻原理:磁阻的大小与磁导率、磁极间距、磁极面积等因素有关,磁阻越大,磁场对电流 的阻力越大。
磁阻应用:磁阻在电子学、电机学、磁记录等领域有广泛应用,如用于测量磁场、制作传感 器等。
磁阻分类:磁阻可分为几何磁阻和物理磁阻,几何磁阻与磁极间距、磁极面积等因素有关, 物理磁阻与材料性质、温度等因素有关。
磁阻技术将与其他技术相结合,形成更加高效、智能的解决方案,推动各行业的快速发展。
未来磁阻技术的研究将更加深入,有望在材料、工艺等方面取得突破性进展,为磁阻技术的发 展注入新的活力。
Part Four
霍尔效应与磁阻的 比较
两者在原理上的异同点
相同点:霍尔效应和磁阻都是磁电转换技术,用于检测磁场和电流。

磁阻效应和霍尔效应的区别

磁阻效应和霍尔效应的区别

磁阻效应和霍尔效应的区别磁阻效应和霍尔效应,这俩名字听起来是不是有点高大上?别担心,今天我们就来聊聊这俩小家伙的区别,让你轻松搞懂,不用再在课堂上打瞌睡了。

先说磁阻效应。

它就像个调皮的孩子,当磁场一来,它就开始变得“不一样”了。

想象一下,你在走路,突然一阵风把你吹得东倒西歪,你的运动状态是不是会改变?这就是磁阻效应的感觉。

它主要是通过改变电流流动的阻力来实现的。

这一效应在很多地方都能见到,比如在一些传感器里,磁场的变化就会影响电流的流动,从而实现不同的功能。

它就像那种一听到音乐就想跳舞的人,瞬间变得活跃。

再说说霍尔效应,这可是个更聪明的家伙。

霍尔效应就像是给你发了一张地图,指引你在复杂的环境中找到方向。

想象一下,如果你在一个密闭的房间里,有个小风扇正好对着你吹,风从一个方向吹过来,你的头发会被吹得四处飞舞。

霍尔效应就是这个样子,当电流在磁场中流动时,它的方向会发生偏转,就像你的头发被风吹得一样。

它的工作原理简单易懂,通过测量这种偏转,咱们可以得到很多有用的信息,比如电流的方向和强度。

这种效应在很多现代科技中都发挥着重要作用,比如在交通监控和电子设备里。

那么这俩家伙到底有什么区别呢?简单来说,磁阻效应侧重于阻力的变化,而霍尔效应则强调电流的偏转。

就像你在街上走,突然看到一个朋友招手,你的注意力就会被他吸引,可能就会改变你的行走方向。

这种注意力的变化就有点像霍尔效应。

而磁阻效应则更像是你在路上遇到了个大坑,你的脚步被迫减慢,行动受限。

两者的机制和应用场景各有千秋,不能混为一谈。

在实际应用中,磁阻效应常用于一些精密的传感器,比如汽车的轮速传感器。

想想看,车子开得飞快,突然轮子转速一变,这时候磁阻效应就派上用场了,帮助车子保持安全。

而霍尔效应则经常用于电流传感器,它能实时监测电流的变化,保护电路不受损坏。

这两者就像是两个好搭档,一个负责“刹车”,一个负责“导航”,默契得很。

还有一点值得一提的是,这两种效应的发现也充满了故事。

磁阻效应与霍尔效应的联系

磁阻效应与霍尔效应的联系

磁阻效应与霍尔效应的联系嘿,朋友们!今天咱来唠唠磁阻效应和霍尔效应这俩神奇的玩意儿,它们之间可是有着千丝万缕的联系呢!咱先说说磁阻效应哈。

你就想象一下,这就好比是一条道路,电流就像一辆车在上面跑。

平常呢,这路好走得很,车跑得顺顺当当。

可一旦有个磁场横在那儿,哎呀,这路就变得不那么好走啦,车开起来就费劲了,电流也就受到影响啦!是不是挺有意思的?那霍尔效应呢,就像是磁场这个“大怪物”搞出来的一个小把戏。

当电流通过一个导体,再加上磁场这么一掺和,嘿,在导体的一侧和另一侧就会出现一个电压差。

这就好像磁场在跟我们玩魔术一样,突然就变出个电压来了!那它们俩到底有啥联系呀?这就好比是一对好兄弟,相互之间总有那么点儿关联。

你想啊,磁阻效应说的是磁场对电流的影响,而霍尔效应呢,不也是磁场和电流一起捣鼓出来的现象嘛!它们都和磁场、电流脱不了干系呀!就好像你有两个好朋友,一个喜欢踢足球,一个喜欢打篮球,但他们都热爱运动呀!磁阻效应和霍尔效应也是这样,虽然表现形式不太一样,但本质上都是磁场和电流作用下的奇妙产物。

咱再来仔细琢磨琢磨。

磁阻效应让我们看到了磁场是怎么给电流使绊子的,而霍尔效应呢,又给我们展示了磁场还能玩出啥花样。

它们就像是一个大拼图里的两块,单独看各有各的奇妙,合在一起呢,就能让我们更全面地了解磁场和电流的世界啦!而且哦,在实际应用中,它们也是大显身手呢!比如说在一些传感器里,利用磁阻效应可以测量磁场的强度,利用霍尔效应可以检测电流的大小。

这不就是它们俩相互配合,一起为我们服务嘛!总之啊,磁阻效应和霍尔效应这对“好兄弟”,它们的联系可紧密着呢!我们可得好好研究研究它们,说不定哪天就能靠着它们搞出个大发明来呢!这可不是开玩笑哦,科技的进步不就是这么一步步来的嘛!所以啊,可别小瞧了它们,它们的潜力大着呢!。

霍尔效应实验讲义

霍尔效应实验讲义

霍尔效应测试㈠霍尔效应的组成,功能及性能,工作原理.组成: HMS测试系统主要由恒电流源、范德堡法则终端转换器、电压测量计,低温管道系统及磁场强度系统组成.功能及性能:工作原理:范德堡法则1 、电阻率测量测量电阻率时,依次在一对相邻的电极通电流,另一对电极之间测电位差,得到电阻R,代入公式得到电阻率ρ。

这种方法对于样品形状没有特殊的要求,但是要求薄膜样品的厚度均匀,电阻率均匀,表面是单连通的,即没有孔洞。

此外,A,B,C,D四个接触点要尽可能小(远远小于样品尺寸),并且这四个接触点必须位于薄膜的边缘。

为了简化测量和计算,常常要求待测薄膜为正方形,这是由于正方形具有很高的对称性,正方形材料的四个顶点从几何上是完全等效,因而可推知电阻值R AB,CD和R BC,AD在理论上也应该是相等。

查表可知当R AB,CD/R BC,AD=1时,f=1。

因此,最终电阻率的公式即可简化为:2、霍尔系数和迁移率测量测量霍尔系数时,在一对不相邻的电极通上电流,并在垂直样品方向上加一磁场,在另一对不相邻的电极上测量电压的变化,可得霍尔系数及其载流子浓度.其中d为样品厚度,B为磁场强度,q为电子电荷。

由电阻率和霍尔系数的测量,同时还可以得到电子的霍尔迁移率。

㈡软件菜单使用说明1. 先打开电脑主机,再打开设备开关。

2. 左手拿磁极的上盖(N朝上),将待测得薄膜样品放入弹簧夹内,此时弹簧夹应正面朝上(如果放反,会将样品烧坏),放好后盖好上盖。

3. 开始界面4. 进入霍尔测试界面需要输入数据的只有左上角的INPUT VALUE栏,别的都不用改动。

INPUT VALUE的菜单说明如下所示。

DATE:测试日期;USER NAME:用户名称;SAMPLE NAME:样品名称;(前三项自己正确填写);COMPORT:通信端口(已设置好不用重新输入);TEMP:测试温度(室温下测选择300K,液氮的环境中测选择77K);I: 测试电流(根据试验需求输入);DELAY:更换测试点测试延时(一般无需改动,0.100s);D:样品厚度(根据自己的样品输入);B:测量磁场(根据磁铁上的数据输入);Measurement Number:测量次数(一般选择1000)。

霍尔效应和磁阻

霍尔效应和磁阻

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称为回旋频率(cyclotron frequency)
ห้องสมุดไป่ตู้

0Ex
eB m
J
y
Jx
0 E y
eB m
Jx
J
y
变为
0Ex cJy Jx 0Ey cJx Jy
Jy = 0时的电场 Ey称为霍尔电场,把Jy = 0代入
方程Ey组 c0 Jxem Bne2mJxn B eJx
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第六节 霍尔效应和磁阻
本节主要内容:
一、霍尔效应 二、磁阻
§1.6 中霍信重尔工机效械应股份和有限磁公阻司客户服务部
这一节我们在单电子的准经典动力学方程的基础 上,讨论自由电子在电场和磁场联合作用下的行为--霍尔效应和磁阻效应
一、霍尔效应
前面我们曾推导了自由电子在外场下的动力学方程,得
dpF(t)p(t)
dt
在电场和磁场共同作用下,电子受力为:
F e E e v B e ( E v B )
单电子的准经中典信动重工力机学械方股程份变有为限公司客户服务部
d dp te(EvB)p(t)
pmv 是电子的动量
假定磁场B平行于z轴,电场E与B垂直,位于 xy 平面
dp 考虑在稳态情形下
I
y
v
FB
1
FE
1 为理论值
RH ne
x
从表中看出一价中碱信金重属工符机械合股较份好有,限许公多司客二户、服三务价部金
属,偏离很多,而且符号也不对。表明自由电子气 体模型的局限性。
当电流垂直于外磁场方向通
过导体时,在垂直于电流和
磁场方向该导体两侧产生电

能带论 电磁场下的电子 霍尔效应 磁阻效应

能带论 电磁场下的电子 霍尔效应 磁阻效应

定义霍尔角θH的正切函数为霍尔电场EH与平行电流
的电场
之比为:
定义霍尔系数RH为垂直于电流方向的电场分量 除以电流密度与磁场的乘积:
磁致电阻是指外加磁场导致电阻率的改变,由4.11.9 得到:
其中ρ0是没有磁场下,样品的电阻率。磁场并不改 变样品的电阻率,磁致电阻为0。然而在实验上,所 有金属在磁场下都表现出电阻率的增加,原因在于 自由电子气的漂移速度理论忽略了能带结构,即假 定了所有电子都具有相同的漂移速度,相同的质量 和相同的驰豫时间,所以他们受到相同的洛伦兹力。
双带模型
我们假定存在两种类型的载流子,每种载流子分别 具有单一的有效质量m1,m2,平均驰豫时间τ1,τ2,这 样,每种载流子满足运动方程:
假定磁场B平行于z轴,电场E在xy平面内,可以得到 每种载流子在xy平面内的电流分量:
其中
在xy平面内总电流J=J1+J2,其分量写为
1. 低场和高场下的霍尔效应: 低场下
而霍尔场正好平衡了磁场中洛伦兹力的作用,因为霍 尔场作用于电子的力为:
结果电子丝毫不受到横向力的作用。
而实际上,即使是简单金属,电子的速度、有效质量、 驰豫时间都是依赖于能带结构的。这样总的平均霍尔 场就不能平衡不同电子在磁场中的洛伦兹力。
更复杂的金属,输运性质往往由几个未满带决定,假 定每个带各向同性,也存在若干不同的载流子,将得 到不为零的磁致电阻。
由式4.11.20得到 代入4.11.19,得到霍尔系数
其中
为每种载流子单独存在
时候的霍尔系数,n1,n2为两种载流子的浓度。
高场下 由4.11.18得到
由4.11.23和4.11.24得到高场极限下的霍尔系数:
其中
是载流子的总密度,

巨磁阻效应,霍尔效应原理

巨磁阻效应,霍尔效应原理

方便起见,假设导体为一个长方体,长度分别为 a,b,d,磁场垂直ab平面。电流经过ad,电流I = nqv(ad),n为电荷密度。设霍尔电压为VH,导体 沿霍尔电压方向的电压方向的电场为VH / a。设磁 场强度为B。 Fe = Fm qVH/ a = qvB VH / a = BI / (nqad) VH = BI / (nqd)
巨磁阻效应
所谓巨磁阻效应,是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无 外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应, 它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材 料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时,载流子与自旋 有关的散射最小,材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时, 与自旋有关的散射最强,材料的电阻最大。
巨磁阻效应概念 巨磁阻效应(Giant Magnetoresistance)是一种量子力 学和凝聚态物理学现象,磁阻效应的一种,可以在磁性材 料和非磁性材料相间的薄膜层(几个纳米厚)结构中观察 到。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方 向有关,两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值,明 显大于磁化方向相同时的电阻值,电阻在很弱的外加磁场 下具有很大的变化量。巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生 产上,具有重要的商业应用价值。
霍尔效应 霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是美国物 理学家霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年 在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于 外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流 方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便 是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。 (如下图)
设霍尔电压为vh导体沿霍尔电压方向的电压方向的电场为vh场强度为bfefmqvhqvbvhnqadvhnqd本质本质固体材料中的载流子在外加磁场中运动时因为受固体材料中的载流子在外加磁场中运动时因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移并在材料两侧产到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移并在材料两侧产生电荷积累形成垂直于电流方向的电场最终使载流生电荷积累形成垂直于电流方向的电场最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡从而在两侧建立子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压

6.4 霍尔系数和磁阻

6.4 霍尔系数和磁阻


10 20 2 c1 1 c 2 2 2 0 ( 10 20 )
(6.4.19)
1) 0,磁场总是使电阻增加,除非 ,磁 c1 1 c2 2 阻为零。
2 2) 在低场下, B (c B, 而 / 0 / 0 ) 3) 由于 ωc 和 τ 以乘积形式出现,对某一材料言,磁阻仅
为 Bτ 的函数,而
τ 与 ρ0成反比,因而有
(6.4.20)

B F 0 0
F函数的行为仅依赖于材料的本性。这一规律称为科 勒定则。这一定则显示出在低温下进行磁阻测量的好处: 此时 化。 较小,因而相同的磁场变化会引起电阻率较大的变
ρ0
6.4 霍尔系数和磁阻
从玻尔兹曼方程(6.1.14)出发,考虑同时加有 E,B, f r 但无温度梯度(T 0) 的情形,此时 0 项消失,

e f 0 f1 e f1 E vk B k k
设上式解为
(6.4.1)
对任意 v 上式成立,要求 k
(6.4.4)
相应的稳态电流密度为
e E D * B D m
(6.4.5)
e J 3 4
可简化为

e2 f1vk dk 3 4
f 0 dS F d vk (vk D) vk
磁阻为零。这是由于此时只有速度等于费米速度的电子才 参与导电。它们感受到同样的洛伦兹力,这种洛伦兹力作 用下电子轨道的偏转,恰好为霍尔场的作用所抵消,结果 相当于磁场并不存在。
实际上,金属的磁阻并不为零。
一方面,即使对最简单的情形,如碱金属,费米面亦非严 格球形,因而电子的速度,有效质量与方向及能量有关。 仅部分电子的运动满足洛伦兹力与霍尔场力的平衡。其余 电子的轨迹发生了变化。 另—方面,如输运特性由几个未满能带决定,简单地假定 有两个各向同性的能带,这样就有两组不同有效质量,不 同速度的载流子。霍尔场取某一平均值,对两组载流子洛
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然后得到霍尔电压平均值,这样虽然不能消除所有的副效应,但其引入的误差不大,可以忽略 不计。 电导率测量方法如下图所示。设 B’C 间距离为 L,样品横截面积为 S=bd,流经样品电流为 IS, 在零磁场下,测得 B’C 间电压为 VB’C,根据欧姆定律可以求出材料的电导率。
学习重点 了解霍尔效应原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 学习用“对称测量法”消除副效应影响。 根据霍尔电压判断霍尔元件载流子类型,计算载流子的浓度和迁移速度,
设计性内容 拟定实验方案,用霍尔元件测量交变磁场的磁感应强度。
注意事项 测试仪开机、关机前将 IS, IM 旋钮逆时针转到底,防止输出电流过大。
IS, IM 接线不可颠倒,以防烧坏样品。 <完> 选做实验:锑化铟片的磁阻特性 1857 年, 英国物理学家威廉·汤姆逊(William Thomson) 发现了磁阻效应 (Magnetoresistance effect) 。磁阻效应是指半导体在外加磁场作用下电阻率增大的现象。当半导体受到与电流方向垂 直的磁场作用时,由于半导体中载流子的速度有一定的分布,某些速度的载流子,霍尔电场的作用 与洛伦兹力的作用刚好抵消,这些载流子的运动方向不偏转,而大于或小于此速度的载流子,运动 方向发生偏转,导致沿电流方向的速度分量减小,电流变弱,从而电阻率增加。本实验研究锑化铟 片的电阻与磁感应强度变化的关系。 测量锑化铟片磁阻特性的器材 锑化铟片、电磁铁(具体参数见仪器) 、稳压电源(5V) 、霍尔效应测试仪、滑线式电桥、检流 计、滑动变阻器、电阻箱(0~100000Ω) 、双刀开关、单刀开关以及导线若干。 样品示意图:
实验内容和仪器:QS-H 霍尔效应组合仪,小磁针,测试仪。 霍尔效应组合仪包括电磁铁,霍尔样品和样品架,换向开关和接线柱,如 下图所示。
测试仪由励磁恒流源 IM,样品工作恒流源 IS,数字电流表,数字毫伏表等组成,仪器面板如下 图:
将测试仪上 IM 输出,IS 输出和 VH 输入三对接线柱分别与实验台上对应接线柱连接。打开测试 仪电源开关,预热数分钟后开始实验。 保持 IM 不变,取 IM=0.45A,IS 取 1.00,1.50……,4.50mA,测绘 VH-IS 曲线,计算 RH。 保持 IS 不变,取 IS=4.50mA,IM 取 0.100,0.150……,0.450A,测绘 VH-IM 曲线,计算 RH。 在零磁场下,取 IS=0.1mA,测 VB’C(即 V ) 。 确定样品导电类型,并求 RH 、n、 、 。
(6)
R 称为霍尔系数,它体现了材料的霍尔效应大小。根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。 在应用中,(6)常以如下形式出现:
VBB K H IB
式中 K H
(7)
R 1 称为霍尔元件灵敏度,I 称为控制电流。 d nqd
由式(7)可见,若 I、KH 已知,只要测出霍尔电压 VBB’,即可算出磁场 B 的大小;并且若知载流 子类型(n 型半导体多数载流子为电子, P 型半导体多数载流子为空穴),则由 VBB’的正负可测出磁场 方向,反之,若已知磁场方向,则可判断载流子类型。 由于霍尔效应建立所需时间很短(10 ~10 s),因此霍尔元件使用交流电或者直流电都可。 指示 交流电时,得到的霍尔电压也是交变的,(7)中的 I 和 VBB’应理解为有效值。 霍尔效应实验中的付效应 在实际应用中, 伴随霍尔效应经常存在其他效应。 例如实际中载流子迁移速率 u 服从统计分布 规律,速度小的载流子受到的洛伦兹力小于霍尔电场作用力,向霍尔电场作用力方向偏转,速度大 的载流子受到磁场作用力大于霍尔电场作用力, 向洛伦兹力方向偏转。 这样使得一侧高速载流子较
设计性实验:
磁阻效应实验中,若稳压电源最大量程为 30V,测量电路中用多大的电压实验结果的精确度最 高。
注意事项: 锑化铟片的工作电流小于 3.00mA,线圈励磁电流小于 1.000A。 思考题 若磁场不恰好与霍尔元件片的法线一致, 对测量结果有何影响, 如何用实验方法判断 B 与元件 法线是否一致? 能否用霍尔元件片测量交变磁场? 若霍耳元件的几何尺寸为 4mm×6mm,即控制电流两端距离为 6mm,而电压两端的距离为 4mm,问此霍耳片能否测量截面积为 5mm×5mm 气隙的磁场?
这时在 B、B’两侧建立的电场称为霍尔电场,相应的电压称为霍尔电压,电极 B、B’称为霍 尔电极。 另一方面,射载流子浓度为 n,薄片厚度为 d,则电流强度 I 与 u 的关系为:
I bdnqu
由(3) IB nq d
(5)
1 ,则 nq
VBB R IB d
(a) 锑化铟片, B 为外加磁场的磁感应强度,IS 为通过锑化铟片的工作电流
(b) 锑化铟片管脚图
实验内容: 1)利用给定的实验仪器进行设计和实验。 2)线圈的励磁电流在 0 ~ 0.800A 之间,测量 20 组以上磁阻数据。 3)在坐标纸上标出 R / R(0) ~ B 关系的实验数据点,根据实验数据点图,分析 R / R(0) 与 B 的 关系。其中 R(0) 是不加磁场时的电阻, R 是加磁场后的电阻与不加磁场时电阻的差值,B 以特斯 拉(T)为单位。
通过霍尔效应测量磁场
实验简介 在磁场中的载流导体上出现横向电势差的现象是 24 岁的研究生霍尔(Edwin H. Hall)在 1879 年发现的,现在称之为霍尔效应。随着半导体物理学的迅猛发展,霍尔系数和电导率的测量已经成 为研究半导体材料的主要方法之一。 通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的 导电类型、 载流子浓度、 载流子迁移率等主要参数。 若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系, 还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。 在霍尔效应发现约 100 年后,德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)等研究半导体在极低 温度和强磁场中发现了量子霍尔效应, 它不仅可作为一种新型电阻标准, 还可以改进一些基本量的 精确测定,是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之一,克利青为此发现获得 1985 年诺贝尔 物理学奖。其后美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui)和施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发 现了分数量子霍尔效应。 它的发现使人们对宏观量子现象的认识更深入一步, 他们为此发现获得了 1998 年诺贝尔物理学奖。 用霍尔效应之制备的各种传感器, 已广泛应用于工业自动化技术、 检测技术和信息处理各个方 面。本实验的目的是通过用霍尔元件测量磁场,判断霍尔元件载流子类型,计算载流子的浓度和迁 移速度,以及了解霍尔效应测试中的各种副效应及消除方法。 实验原理 通过霍尔效应测量磁场 霍尔效应装置如图 2.3.1-1 和图 2.3.1-2 所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B 的方向沿 z 轴方向),当沿 y 方向的电极 A、A’上施加电流 I 时,薄片内定向移动的载流子(设平 均速率为 u)受到洛伦兹力 FB 的作用, FB = q u B (1)
无论载流子是负电荷还是正电荷,FB 的方向均沿着 x 方向,在磁力的作用下,载流子发生偏 移,产生电荷积累,从而在薄片 B、B’两侧产生一个电位差 VBB’,形成一个电场 E。电场使载流子 又受到一个与 FB 方向相反的电场力 FE, FE=q E = q VBB’ / b (2)
其中 b 为薄片宽度,FE 随着电荷累积而增大,当达到稳定状态时 FE=FB,即 q uB = q VBB’ / b (3)
-12 -14
多,相当于温度较高,而另一侧低速载流子较多,相当于温度较低。这种横向温差就是温差电动势 VE,这种现象称为爱延豪森效应。这种效应建立需要一定时间,如果采用直流电测量时会因此而给 霍尔电压测量带来误差,如果采用交流电,则由于交流变化快使得爱延豪森效应来不及建立,可以 减小测量误差。 此外,在使用霍尔元件时还存在不等位电动势引起的误差,这是因为霍尔电极 B、B’不可能 绝对对称焊在霍尔片两侧产生的。由于目前生产工艺水平较高,不等位电动势很小,故一般可以忽 略,也可以用一个电位器加以平衡(图 2.3.1-1 中电位器 R1)。 我们可以通过改变 IS 和磁场 B 的方向消除大多数副效应。具体说在规定电流和磁场正反方向 后,分别测量下列四组不同方向的 IS 和 B 组合的 VBB’,即 +B, +I -B, +I -B, -I +B, -I VBB’=V1 VBB’=-V2 VBB’=V3 VBB’=-V4
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