[实用新型]一种定时保护霍尔效应实验装置

说明书

技术领域

本实用新型是具有保护部件的霍尔效应实验用的实验装置，主要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的实验用装置，本实验装置带有自保护功能。

背景技术

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。1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机构时发现了这种电磁现象，故称霍尔效应。后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展，现在广泛用于非电量检测、电动控制、电磁测量和计算装置方面。在电流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔效应实验不断有新发现。1980年原西德物理学家冯·克利青(K.Von Klitzing)研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。

在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。因此在实验中得到广泛的使用。

目前的实验装置大体采用如图1所示原理的结构。其物理原理如下：霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒于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在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场。

如右图2所示，磁场B位于Z的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流I_s(称为控制电流或工作电流)，假设载流子为电子(N型半导体材料)，它沿着与电流I_s相反的X负向运动。

由于洛伦兹力f_L的作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B侧形成电于积累，而相对的A侧形成正电荷积累。与此同时运动的电了还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力f_E的作用。随着电荷积累量的增加，f_E增大，当两力大小相等(方向相反)时，f_L＝-f_E，则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之间建立的电场称为霍尔电场E_H，相应的电势差称为霍尔电压V_H。

设电子按均一速度 向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛伦兹力为 

式中e为电于电量， 为电子漂移平均速度，B为磁感应强度。

同时，电场作用于电子的力为f_E＝-eE_H＝-eV_H/l

式中E_H为霍尔电场强度，V_H为霍尔电压，l为霍尔元件宽度

当达到动态平衡时，f_L＝-f_EV‾B=VH/l---(1)]]>

设霍尔元件宽度为l，厚度为d，载流子浓度为n，则霍尔元件的控制(工作)电流为

Is=neV‾ld---(2)]]>