霍尔效应实验中有哪些副效应:可逐项抵消
霍尔效应实验中有哪些副效应,一共包含爱廷豪森效应、伦斯脱效应、里纪-勒杜克效应、不等位电势差四类,你可以通过换向法,依次改变工作电流、磁场方向,把大部分副效应的影响扣除,爱廷豪森效应产生的温差电压无法通过简单换向消除,仅能降低它的干扰,这套校正方式适合大学物理基础实验,不适合高精度半导体参数测量场景。
霍尔效应副效应的产生机制
爱廷豪森效应,是载流子速度存在差异,速度快和慢的载流子在磁场中偏转半径不一样,样品横向两端出现温度差,进而产生温差电动势,它的电压极性和电流、磁场方向都有关系,换向操作不能消去这一项。
伦斯脱效应,源于样品两端的电极接触电阻不等,通入电流时两端发热不均,形成热流,热流里的载流子受磁场偏转,横向产生电势差,它的极性只随磁场方向变化,和工作电流方向无关。
里纪-勒杜克效应,同样是热流引发,热扩散的载流子在磁场作用下发生偏转,横向形成电势差,极性只由磁场方向决定,不受电流方向改变影响,和伦斯脱效应经常同步出现。
不等位电势差,是制作霍尔片时,两侧霍尔电极没有严格对称对齐,即便不加磁场,通入工作电流,两个电极之间本身就存在电势差,极性只和电流方向有关,不受磁场调控。
霍尔效应副效应的校正方案
| 换向组合 | 保留电压分量 | 可消除的副效应 |
|---|---|---|
| +I,+B | UH、UE、UN、UR、U0 | 无 |
| +I,-B | -UH、-UE、-UN、-UR、U0 | 伦斯脱、里纪-勒杜克 |
| -I,-B | UH、UE、-UN、-UR、-U0 | 不等位电势差 |
| -I,+B | -UH、-UE、UN、UR、-U0 | 伦斯脱、里纪-勒杜克 |
取四次测量数值做代数平均,得到UH+UE,常规实验直接把这个结果当作霍尔电压,忽略爱廷豪森电压带来的微小偏差。
控制电流大小,减少样品发热。
样品温度升高后,热激发载流子增多,各类热致副效应会同步变大,读数误差明显上升,实验过程里不要长时间持续通入大电流,每测一组数据后短暂断电,等待样品温度回落。
高精度测量要选用交流霍尔法。
交流工作电流可以让爱廷豪森效应的电压信号变成交变分量,配合锁相放大器,把霍尔电压单独提取,大幅压制热类副效应,普通教学实验室一般不配备这套设备。
电极加工精度直接决定不等位电势差的初始大小,优质霍尔元件出厂时已经做过补偿,不等位电势差可以压到很小。
在2019版大学物理实验教学规范里,霍尔效应实验默认采用四组换向测量法作为标准校正手段。
