畢業(yè)設(shè)計38電子測量原理課程設(shè)計報告

電子測量原理課程設(shè)計報告 題目名稱： 通過霍爾效應(yīng)測量磁場 設(shè)計 題目： 通過霍爾效應(yīng)測量磁場 設(shè)計 目的： 通過用霍爾元件測量磁場，判斷霍爾元件載流子類型，計算載流子的濃度和遷移速度，以及了解霍爾效應(yīng)測試中的各種副效應(yīng)及消除方法。 設(shè)計 儀器： QS-H 霍爾效應(yīng)組合儀，小磁針，測試儀。 設(shè)計 原理： 一、通過霍爾效應(yīng)測量磁場 霍爾效應(yīng)裝置如圖 2.3.1-1 和圖 2.3.1-2 所示。將一個半導(dǎo)體薄片放在垂直于它的磁場中 (B 的方向沿 z 軸方向 )，當(dāng)沿 y 方向的電極 A、 A上施加 電流 I 時，薄片內(nèi)定向移動的載流子 (設(shè)平均速率為 u)受到洛倫茲力 FB 的作用， FB = q u B (1) 無論載流子是負(fù)電荷還是正電荷， FB 的方向均沿著 x 方向，在磁力的作用下，載流子發(fā)生偏移，產(chǎn)生電荷積累，從而在薄片 B、 B兩側(cè)產(chǎn)生一個電位差 VBB,形成一個電場 E。電場使載流子又受到一個與 FB 方向相反的電場力 FE， FE q E = q VBB / b (2) 其中 b 為薄片寬度， FE 隨著電荷累積而增大，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時 FE FB，即 q uB = q VBB / b (3) 這時在 B、 B兩側(cè)建立的電場稱為霍爾電場，相應(yīng)的電壓稱為霍爾電壓，電極 B、B稱為霍爾電極。 另一方面，射載流子濃度為 n,薄片厚度為 d,則電流強度 I 與 u 的關(guān)系為： bdnquI (4) 由 (3)和 (4)可得到 dIBnqV BB 1(5) 令nqR 1，則 dIBRV BB (6) R 稱為霍爾系數(shù)，它體現(xiàn)了材料的霍爾效應(yīng)大小。根據(jù)霍爾效 應(yīng)制作的元件稱為霍爾元件。 在應(yīng)用中， (6)常以如下形式出現(xiàn)： IBKV HBB (7) 式中nqddRK H 1稱為霍爾元件靈敏度， I 稱為控制電流。 由式 (7)可見，若 I、 KH 已知，只要測出霍爾電壓 VBB，即可算出磁場 B 的大??；并且若知載流子類型 (n 型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為電子， P 型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴 ),則由 VBB的正負(fù)可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。 由于霍爾效應(yīng)建立所需時間很短 (10-1210-14s),因此 霍爾元件使用交流電或者直流電都可。指示交流電時，得到的霍爾電壓也是交變的， (7)中的 I 和 VBB應(yīng)理解為有效值。 二、 霍爾效應(yīng) 設(shè)計 中的副效應(yīng) 在實際應(yīng)用中，伴隨霍爾效應(yīng)經(jīng)常存在其他效應(yīng)。例如實際中載流子遷移速率 u 服從統(tǒng)計分布規(guī)律，速度小的載流子受到的洛倫茲力小于霍爾電場作用力，向霍爾電場作用力方向偏轉(zhuǎn)，速度大的載流子受到磁場作用力大于霍爾電場作用力，向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這樣使得一側(cè)告訴載流子較多，相當(dāng)于溫度較高，而另一側(cè)低速載流子較多，相當(dāng)于溫度較低。這種橫向溫差就是溫差電動勢 VE，這種現(xiàn)象稱為愛延 豪森效應(yīng)。這種效應(yīng)建立需要一定時間，如果采用直流電測量時會因此而給霍爾電壓測量帶來誤差，如果采用交流電，則由于交流變化快使得愛延豪森效應(yīng)來不及建立，可以減小測量誤差。 此外，在使用霍爾元件時還存在不等位電動勢引起的誤差，這是因為霍爾電極 B、 B不可能絕對對稱焊在霍爾片兩側(cè)產(chǎn)生的。由于目前生產(chǎn)工藝水平較高，不等位電動勢很小，故一般可以忽略，也可以用一個電位器加以平衡 (圖 2.3.1-1中電位器 R1)。 我們可以通過改變 IS 和磁場 B 的方向消除大多數(shù)付效應(yīng)。具體說在規(guī)定電流和磁場正反方向后，分別測量下列四組不同方向 的 IS 和 B 組合的 VBB,即 B， +I VBB=V1 -B， +I VBB=-V2 -B， -I VBB=V3 B， -I VBB=-V4 然后得到霍爾電壓平均值，這樣雖然不能消除所有的付效應(yīng)，但其引入的誤差不大，可以忽略不計。 電導(dǎo)率測量方法如下圖所示。設(shè) BC 間距離為 L，樣品橫截面積為 S=bd，流經(jīng)樣品電流為 IS，在零磁場下，測得 BC 間電壓為 VBC,根據(jù)歐姆定律可以求出材料的電導(dǎo)率。 設(shè)計 內(nèi)容： 霍爾效應(yīng)組合儀包括電磁鐵，霍爾樣品和樣品架，換向開關(guān)和接線柱，如下圖所示。 測試儀由勵磁恒流源 IM，樣品工作恒流源 IS，數(shù)字電流表，數(shù)字毫伏表等組成，儀器面板如下圖： 將測試儀上 IM 輸出 ， IS 輸出 和 VH輸入 三對接線柱分別與 設(shè)計 臺上對應(yīng)接線柱連接。打開測試儀電源開關(guān)，預(yù)熱數(shù)分鐘后開始 設(shè)計 。 1. IM 不變， IM 0.45A， IS 取 1.00,1.50 ,4.50mA，測繪 VH-IS 曲線，計算 RH。 2. 保持 IS 不變，取 IS 4.50mA， IM 取 0.100,0.150 ,0.450mA，測繪 VH-IM曲線。 3. 在零磁場下，取 IS=0.1mA，測 VBC(即 V)。 4. 確定樣品導(dǎo)電類型，并求 n , , 數(shù)據(jù)記錄： 設(shè)計 室數(shù)據(jù)： =5500GS/A， L=3.0mm， b=4.0mm， d=0.5mm (1)Im=.045A Is/mA VH/mV VH/mV VH/mV VH/mV VH(平均 )/mV 0.50 -2.03 2.03 2.18 -2.17 2.10 1.50 -6.09 6.09 6.57 -6.55 6.33 2.50 -10.10 10.11 10.90 -10.87 10.50 3.50 -14.13 14.17 15.27 -15.24 14.70 4.50 -18.16 18.14 19.57 -19.55 18.86 (2)Is=4.5mA Im/A VH/mV VH/mV VH/mV VH/mV VH(平均 )/mV 0.05 -1.42 1.44 2.72 -2.70 2.07 0.15 -5.45 5.47 6.88 -6.86 6.17 0.25 -9.61 9.63 11.08 -11.05 10.34 0.35 -13.86 13.88 15.26 -15.23 14.56 0.45 -18.03 18.06 19.51 -19.48 18.77 (3)斷開 Im 開關(guān)，即 Im=0，調(diào)節(jié) Is=0.10mA，測得 V=8.98mV (4)霍爾片電路如圖：測得 VH0，由 左手定則 和安培定則 判定，載流子為 空穴 ，故霍爾片為 p 型 數(shù)據(jù)處理： 1. 保持 Im 不變，取 Im 0.45A， Is 取 1.00, ,4.50mA,測繪 VH-Is 曲線，計算RH。 VH = A + * Is Parameter Value Error A 0.0255 0.01869 B 4.189 0.00651 由dIBRV BB ，得 2. 保持 Is 不變，取 Is 4.50mA， Im 取 0.100,0.150 ,0.450mA，測繪 VH-Im曲線。 VH = A + * Im Parameter Value Error A -0.0655 0.04018 B 41.79 0.13988 3. 斷開 Im 開關(guān)，即 Im =0，調(diào)節(jié) Is=0.10mA，測得 V=8.98mV 4. 確定樣品導(dǎo)電類型，并求 n， ，。 5. 在數(shù)據(jù)記錄圖中，已判斷霍爾元件為 n 型 6.