用霍爾效應測量磁場分布實驗講義.

1、實驗用霍爾效應測量磁場分布霍爾效應是美國科學家霍爾于 1879年發(fā)現(xiàn)的。由于它揭示了運動的帶電粒子在外 磁場中因受洛倫茲力的作用而偏轉，從而在垂直于電流和磁場的方向上將產生電 勢差的規(guī)律，因此該效應在科學技術的許多領域（測量技術、電子技術、自動化 技術等）中都有著廣泛的用途?，F(xiàn)在霍爾效應產品已經在自動化和信息技術中得 到了廣泛地應用。特別是在用計算機進行四遙（遙測、遙控、遙信、遙調）監(jiān)控 的一些現(xiàn)代化設備中，應用磁平衡和磁比例式原理研制的霍爾電壓傳感器、霍爾 電流傳感器和霍爾開關量傳感器進行靜電（直流）隔離，實現(xiàn)了直流電壓高精度 的隔離傳送和檢測，直流電流高精度的隔離檢測和監(jiān)控量越限時準確的隔

2、離報 警。從而在我國引起了許多科技人員對霍爾效應、霍爾元件以及應用霍爾效應的 實用知識和實用技術的關注。本實驗通過研究霍爾電壓與工作電流的關系，霍爾 電壓與磁場的關系以及消除霍爾效應的副效應的方法，從實驗中認識霍爾效應， 為在自動檢測、自動控制和信息技術中應用霍爾效應打下一個良好的基礎。1897年，霍爾設計了一個根據運動載流子在外磁場中的偏轉來確定在導體或 半導體中占主導地位的載流子類型的實驗。在研究通有電流的導體在磁場中的受 力時，發(fā)現(xiàn)在垂直于磁場和電流的方向上產生了電動勢，這個電磁效應稱為“霍 爾效應”。在半導體材料中，霍爾效應比在金屬中大幾個數(shù)量級，引起人們對它 的深入研究?；魻栃难?/p>

3、究在半導體理論的發(fā)展中起到了重要的推動作用。直 到現(xiàn)在，霍爾效應的研究仍是研究半導體性質的重要實驗方法。利用霍爾系數(shù)和 導電率的聯(lián)合測量，可以用來研究半導體的到點機構、散射機構，并可以確定半 導體的一些基本參數(shù)，如半導體材料的導電類型、載流子濃度、遷移率大小、禁 帶寬度、雜質電離能等?！緦嶒災康摹浚?）掌握霍爾元件的工作原理。（2）學習用霍爾元件測量磁場的原理和方法。（3）學習用霍爾元件測繪載流圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場分布。（4）學習用霍爾元件測繪螺線管磁場分布?！緦嶒炘怼炕魻栃獜谋举|上講，是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力的作用而引起的偏 轉。當帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中

4、，這種偏轉就導致在垂直電 流和磁場的方向上產生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場。對于（圖15-1）所示的半導體試樣，若在 X方向通以電流I，在Z方向加磁場B,則在丫方向 即試樣A、A電極兩側就開始聚積異號電荷而產生相應的附加電場。電場的指向取 決于試樣的導電類型。顯然，該電場是阻止載流子繼續(xù)向側面偏移，當載流子所 受的橫向電場力與洛侖茲力相等時，樣品兩側電荷的積累就達到平衡，故有：叭局（15-1）其中， 為霍爾電場，'是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設試樣的寬為b,厚度為d，載流子濃度為n，則人（ 15-2）由（15-1 ）、（ 15-2 ）兩式可得:(15-3 )即霍爾電壓

5、（A、A電極之間的電壓）與'乘積成正比，與試樣厚度 成 反比。比例系數(shù)稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料的霍爾效應強弱的重要參數(shù)。圖15-1半導體樣品霍爾效應示意圖霍爾器件就是利用上述霍爾效應制成的電磁轉換元件。對于成品的霍爾器件，其中 和 已知，因此在實用上就將（15-3）式寫成g =其中，稱為霍爾器件的靈敏度（其值由制造廠家給出），它表示該器件在單位工作電流和單位磁感應強度下輸出的霍爾電壓。（15-4）式中的單位取J為mA "為KGS（ W ）,兒為mV則心的單位為mV/（mAKGS根據 （15-4）式，因已知，而.由實驗給出，所以只要測出'就可以求得未知磁感 應強度&#

6、39;甘=丄L兀"（15-5）【實驗儀器】HLD-HRC-II型霍爾測量磁場綜合實驗儀_ O o o o o 叵虬髯峠嘴"忙吮-t « Hi* *11, «<f1、可調移動尺0-170mm和霍爾元件組成2、螺線管和亥姆霍茲線圈3、霍爾電壓、霍爾電流、勵磁電流換向開關【儀器介紹】主機單元1、IM電流0-1A電流輸出及顯示，主要用于螺線管和亥姆霍茲線圈2、Is電流0-10mA電流輸出及顯示,主要用于霍爾元件工作電流3、V H電壓0 - 2 0 0 mV電壓顯示,主要用于霍爾元件測量電壓附件單元1、可調移動尺0-170mm和霍爾元件組成2、螺線管和亥姆霍

7、茲線圈3、霍爾電壓、霍爾電流、勵磁電流換向開關【預習思考題】1如果磁場不恰好垂直于霍爾片，對測量結果有何影響？2為什么制備霍爾元件的材料通常是半導體而不是金屬？【注意事項】1、測繪廠''曲線時，螺線管口附近磁場強度變化大，應多測幾點。2、單線圈、雙線圈和螺線管不要長時間通過大電流，以免線圈發(fā)熱。3、不要將 電流輸出接入霍爾片上，以免霍爾元件燒壞?！緦嶒瀮热菖c步驟】注：開機前以及開始任何實驗分項前請務必把所有旋鈕旋至最小位置。（一）霍爾及螺線管磁場分布實驗實驗前將 調節(jié)旋鈕、7；調節(jié)旋鈕調為零，將電源與附件相連，開機預熱10分鐘，。實驗一、測.一一曲線將實驗裝置（霍爾電壓、霍爾電

8、流、勵磁電流的切換開關，投向內測）， 將霍爾元件調在螺線管磁場中心。電流為0.5A，測 一一曲線，數(shù)據匯入 下表中。表 1：= 0.5A，X 約取 80mm 取值（1.00 5.00 ） mAf V； / imVy / invI；.恥+B+ -B-B+B1.52.53.5對實驗數(shù)據進行作圖分析/ mA實驗二、測. 曲線將實驗裝置（霍爾電壓、霍爾電流、勵磁電流的切換開關投向內側，將霍 爾元件調在磁場中心，電流為3mA測5 hl曲線，數(shù)據匯表中。表 2：-= 3mA X約取 80mmhf 取值：0.1 0.6A ,i mi1； j% JjHV+ +B+ -B-B-+B0.10.20.30.40.實

9、驗三、螺線管磁場分布測量將實驗儀器（霍爾電壓、霍爾電流、勵磁電流的切換開關投向內側），調節(jié)移動尺* 0 ,取兒電流為0.5A，厶電流3mA測B T X的曲線表 3 '取值：0.5A，i 取值 3mA X取 0165mmX( mrh/snv Vjmv曲打匕亠+ +B+ -B-B - +B102530405060708090100110140145150155160165將螺線管中心的B值與理論值進行比較，求出相對誤差。（需考慮溫度對值的影響）螺線管口附近磁場強度變化大，應多測幾點（二）、亥姆霍茲線圈磁場描繪實驗實驗前將調節(jié)旋鈕，-調節(jié)旋鈕調為零，將電源與附件相連，開機預熱10分鐘，實驗一

10、、單線圈磁場描繪實驗前將（霍爾電壓、霍爾電流、勵磁電流的切換開關投向內側），單線圈1描繪。調節(jié)移動尺X=0-100mm表1：（取人電流為0.5A，人電流3mA，測B、X的曲 線。+ +B102030405060708090100X (mrh匕廣 1二+ -B-B+B實驗前將（霍爾電壓、霍爾電流、勵磁電流的切換開關投向內側），單線圈II描繪。表2:調節(jié)移動尺X=70-160m（取-電流為0.5A,'電流為5m A）測BX的曲線+ +B-B708090100110-B-+B聞十憶1十旳十I匕I /tn140150160實驗二、亥姆霍茲線圈磁場描繪實驗前將（霍爾電壓、霍爾電流、勵磁電流的切換開關投向內側），雙線圈描表3:調節(jié)移動尺X=0-160 mm （取電流為0.5A，電流為5m A,測BX的曲線。VJ / OJI' kj / WJV 片/也*比/F抑4/mVX10205060