用霍爾效應(yīng)測量磁場分布實驗講義.

1、實驗用霍爾效應(yīng)測量磁場分布霍爾效應(yīng)是美國科學(xué)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(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電 勢差的規(guī)律，因此該效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域（測量技術(shù)、電子技術(shù)、自動化 技術(shù)等）中都有著廣泛的用途?，F(xiàn)在霍爾效應(yīng)產(chǎn)品已經(jīng)在自動化和信息技術(shù)中得 到了廣泛地應(yīng)用。特別是在用計算機(jī)進(jìn)行四遙（遙測、遙控、遙信、遙調(diào)）監(jiān)控 的一些現(xiàn)代化設(shè)備中，應(yīng)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(guān)量傳感器進(jìn)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(zhǔn)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(yīng)、霍爾元件以及應(yīng)用霍爾效應(yīng)的 實用知識和實用技術(shù)的關(guān)注。本實驗通過研究霍爾電壓與工作電流的關(guān)系，霍爾 電壓與磁場的關(guān)系以及消除霍爾效應(yīng)的副效應(yīng)的方法，從實驗中認(rèn)識霍爾效應(yīng)， 為在自動檢測、自動控制和信息技術(shù)中應(yīng)用霍爾效應(yīng)打下一個良好的基礎(chǔ)。1897年，霍爾設(shè)計了一個根據(jù)運動載流子在外磁場中的偏轉(zhuǎn)來確定在導(dǎo)體或 半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位的載流子類型的實驗。在研究通有電流的導(dǎo)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(chǎn)生了電動勢，這個電磁效應(yīng)稱為“霍 爾效應(yīng)”。在半導(dǎo)體材料中，霍爾效應(yīng)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?yīng)的研

3、究在半導(dǎo)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(yīng)的研究仍是研究半導(dǎo)體性質(zhì)的重要實驗方法。利用霍爾系數(shù)和 導(dǎo)電率的聯(lián)合測量，可以用來研究半導(dǎo)體的到點機(jī)構(gòu)、散射機(jī)構(gòu)，并可以確定半 導(dǎo)體的一些基本參數(shù)，如半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、遷移率大小、禁 帶寬度、雜質(zhì)電離能等。【實驗?zāi)康摹浚?）掌握霍爾元件的工作原理。（2）學(xué)習(xí)用霍爾元件測量磁場的原理和方法。（3）學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)用霍爾元件測繪螺線管磁場分布。【實驗原理】霍爾效應(yīng)從本質(zhì)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(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中

4、，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電 流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)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(dǎo)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(cè)就開始聚積異號電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場。電場的指向取 決于試樣的導(dǎo)電類型。顯然，該電場是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)載流子所 受的橫向電場力與洛侖茲力相等時，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)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(shè)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(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。圖15-1半導(dǎo)體樣品霍爾效應(yīng)示意圖霍爾器件就是利用上述霍爾效應(yīng)制成的電磁轉(zhuǎn)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(yīng)強(qiáng)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(jù) （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(yīng)強(qiáng)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(diào)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(guān)【儀器介紹】主機(jī)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(diào)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(guān)【預(yù)習(xí)思考題】1如果磁場不恰好垂直于霍爾片，對測量結(jié)果有何影響？2為什么制備霍爾元件的材料通常是半導(dǎo)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(qiáng)度變化大，應(yīng)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?nèi)容與步驟】注：開機(jī)前以及開始任何實驗分項前請務(wù)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(diào)節(jié)旋鈕、7；調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)為零，將電源與附件相連，開機(jī)預(yù)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(guān)，投向內(nèi)測）， 將霍爾元件調(diào)在螺線管磁場中心。電流為0.5A，測 一一曲線，數(shù)據(jù)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(jù)進(jìn)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(guān)投向內(nèi)側(cè)，將霍 爾元件調(diào)在磁場中心，電流為3mA測5 hl曲線，數(shù)據(jù)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(guān)投向內(nèi)側(cè)），調(diào)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(jìn)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(qiáng)度變化大，應(yīng)多測幾點（二）、亥姆霍茲線圈磁場描繪實驗實驗前將調(diào)節(jié)旋鈕，-調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)為零，將電源與附件相連，開機(jī)預(yù)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(guān)投向內(nèi)側(cè)），單線圈1描繪。調(diào)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(guān)投向內(nèi)側(cè)），單線圈II描繪。表2:調(diào)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(guān)投向內(nèi)側(cè)），雙線圈描表3:調(diào)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