霍尔效应法测量螺线管磁场分布

霍尔效应法测量螺线管磁场分布 1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究载流导体在磁场中受力性质时发现了一种电磁现象，此现象称为霍尔效应，半个多世纪以后，人们发现半导体也有霍尔效应，而且半导体霍尔效应比金属强得多。近30多年来，由高电子迁移率的半导体制成的霍尔传感器已广泛用于磁场测量和半导体材料的研究。用于制作霍尔传感器的材料有多种:单晶半导体材料有锗，硅；化合物半导体有锑化铟，砷化铟和砷化镓等。在科学技术发展中，磁的应用越来越被人们重视。目前霍尔传感器典型的应用有：磁感应强度测量仪(又称特斯拉100A-2000A功1980·光谱精细结构常数等。,.原理霍尔效应1所示.IdB,bI，磁场B.霍尔电势差样产生的：当电流I通过霍尔元件（假设为P型）的H漂移度v，垂直磁场对运动电荷产生一个洛仑兹力F q(vB)B

（1）式中 q为电子电荷，洛仑兹力使电荷产生横向的偏，由于样品有边界，所以偏的载流子将在边界积累起来，产生一个横向电场 E，直到电场对载流子的作用力 F＝qE与磁场作E用的洛仑兹力相抵消为止，即q(vB)qE

（2）时电荷在样品中流动时再偏，霍尔电势差就由个电场建立起来的。如果N型样品，则横向电场与前者相反，所以 N型样品和 P型样品的霍尔电势差同的符号，据此可以判霍尔元件的导电类型。设 P型样品的载流子浓度为Р，宽度为ω，厚度为 d，通过样品电流 I＝Рqvωd，H则空穴的度 v=I/Рqωd代入（2）式有HEvB I B

（3）pq d上式两边各乘以ω，便得到U

IHBR IHB

（4）H pqd H d其中RH

1 称为霍尔系数，在应用中一般写成pqU K I BH H H

5）KH

R d1H

mV/(mA·TKHD11HI2VH1VH242HI3愈大愈好。D11HI2VH1VH242HI3HKdH有0.2mm厚。51流2电 3H HUB大小这就是效应测量磁场原理。HC图1 图2因此根据IB方向实验测出电压正负由此确定正负是研究半导体材料n则导电载流子电子和负；反之p型半导体,则导电载流子空穴和正。副效应及消除副效应方法一般有四根引线两根输入电流“电流输入端”接在可的B电；两根“电压输出端”接电压。理0)U0H差电压。这是半导体材料电对及磁效应等引起电势差。具体如下：等势电压降 U0在加磁场下通以电流理片两电压引线间应存在A电势差。实由于片有差片两电压引线不在一因此即磁场只要片以电流则两电压引线就有A一UU方向与电流方向有与磁场方向。U大小和电0 0 0U同量级或更大。在所有附加电势中居首。H爱廷豪森效应(Etinghausen)1 2 3B片I由于载流子载流子所。作道道半。大大的道小载流子小道。导片一出载流子；一载流子。两端之由于差于是出差电势UEUE大小与IB乘积成正方向随 IB换向而改变3．能斯托效应(Nernst)由于电流引出线焊点接触电阻同通I后因帕贴效应一端；一端。于是出差度引差引电流。入磁场出电势而起附加UN关关。4．里纪－勒杜克效应(Righi-Leduc)上述热扩散电流的载流子迁移速率不尽相同，在霍尔元件放入磁场后，电压引线间同样会出现温度梯度，从而引起附加电势 U。U的方向与磁场的方向有关，与电流RL 方向无关。在霍尔元件实际应用中，一般用零磁场时采用电压补偿法消除霍尔元件的剩余电压，如图 2所示。在实验测量时为了消除副效应的影响，分别改变 I的方向和 B的方向，记下四组电H势差数据（K、K换向开关向上为正）1 2当 I正向、B正向时：U=U+U+U+UH 1 H 0 E N 当 I负向、B正向时：U=-U-U-U+UH 2 H 0 E N 当 I负向、B负向时：U=U-U+U-UH 3 H 0 E N 当 I正向、B负向时：U=-U+U-U-UH 4 H 0 E N RL作运算 U-U+U-U，并取平均值，得1 2 3 41U4 1

U U3

)U UH E由于 U和 U始终方向相同，所以换向法不能消除它，但 UU，以不，于是E HU 1UH 4 1 2

U U )3 4

E H（6）温度差的时间，，如采用流电它不以测量差。3．电线中磁应度值据电磁－尔(Biot-Savart)，电线线上中的磁应度为MB M

（7）中

D2线线上上的磁应度为B 1B 1

NIL2L2D2

（8）2 中2中，为磁的磁率，中4×10－7T*m/，N为线的总匝数，I为螺0 M线的励磁电流，L为线的度，D为线的平均径。实验仪器GHL1 电线实验装置，双刀双掷换向开关，VAA电压测量双路恒流电源实验容线实验磁电流入换向开关 K，与 A电磁流出相实验装置霍尔电流输入过双刀换向开关 K2与 电源霍尔控制恒流输出相接；实验装置霍尔电压输出与 VAA电源霍尔电压输入相接。放置测量探头于线线中央，即15cm刻度处，调节霍尔控制恒流输出为 5.00mA，依次调节励磁电流为 0、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000mA,测量霍尔输出电压，证明霍尔电势差与线磁应度成正比。放置测量探头于线线中央，即15cm刻度处，调节励磁电流 1000mA，调节霍尔控制恒流输出为 0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00、4.50、5.00mA，测量霍尔输出电压，证明霍尔电势差与霍尔电流成正比。AX00┅┅30.0cm势差找出势差中央一半的刻度位置。依给出的灵敏度作B－X用中心点感应强度理论计算值校准或定传感器的灵敏度.注意事项注意实验中元件不等位效应的观设法消除其对结果的影响。圈不宜长时间通否则圈发热影响结果。元件有一定的温度系数了减少其自身发热对影响不宜超过其额定工作5mA.思考题用简图示意用效应法判断np在利用效应场过程中IH

的不？果在中位长度的数不或不在实验中出什么情？在B-X的位置是否？效应在中有应用？一的

效应场实验报告 了解效应象掌握其场的原理。。二原理元件作如图1所示.若流I流过厚度为d半导体薄片,且B垂作于该这种现象称为.在与流IB垂产生势差称为用U势差.HUH

U K I BH H H

(1)式中,KH

称为元件灵敏度,RH

是由半导体本身子迁移率决定物理常数,称为为感I为流强度.虽然从理论上元件在无作时(B=0),U=0,但是实际情况数字压表并不H为零,这是由于半导体材料结晶不均匀,副及各极不对称等势差,该势差U称为压。在元件实际中,

是零时压2电 30D10D11HI2VH1VH242HI3U压 ,图2示.图1 C 2材L1 置 1 台关 2 把VAA压流源 1 台导线 若干BA1 2 3实和实步骤1实3315cm5.00m00000,UIH Mm000UH

IH

AAX0.、1.02.0┅┅30.0cm的找一半的位给的灵敏作B－X.用心点理论计算值校准或定传器的灵敏度1。工作I=5.00mA，15cmH表1IIH/mAVH1/mVVH2/mVVH3/mVVH4/mV平 均VH/mV01002003004005006007008009001000测量工作。螺线管通IM=500mA，15cm2IH/mAVH1/mVVH2/mVVH3/mVVH4/mV平均 VH/mV0.501.001.502.002.503.003.504.004.5