霍爾效應(yīng)(含數(shù)據(jù)處理樣版)

TH-HTH-H44霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用置于磁場中的載流體，假設(shè)電流方向與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場，這個(gè)現(xiàn)象是霍普斯金大學(xué)爭論生霍爾于1879年収現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應(yīng)。隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的快速収展，霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的測量已成為爭論半導(dǎo)體材料的主要方法之一。通過試驗(yàn)測量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率可以推斷材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。假設(shè)能測量霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系，還可以求出半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)電離能和材料的禁帶寬度。如今，霍爾效應(yīng)不但是測定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，而且隨著電子技術(shù)的収展，利用該效應(yīng)制成的霍爾器件，由于構(gòu)造簡潔、頻率響應(yīng)寬〔高達(dá)10GHz、壽命長、牢靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于非電量測量、自動(dòng)掌握和信息處理等方面。在工業(yè)生產(chǎn)要求自動(dòng)檢測和掌握的今日，作為敏感元件之一的霍爾器件，將有更寬闊的應(yīng)用前景。了解這一富有有用性的試驗(yàn)，對(duì)日后的工作將有好處。一、試驗(yàn)?zāi)康牧私饣魻栃?yīng)試驗(yàn)原理以及有關(guān)霍爾元件對(duì)材料要求的學(xué)問。學(xué)習(xí)用“對(duì)稱測量法”消退副效應(yīng)的影響，測量幵繪制試樣的V－IH S

和V－IH

曲線。確定試樣的導(dǎo)電類型、載流子濃度以及遷移率。二、試驗(yàn)原理子〔電子或空穴〕被約束在固體材料中，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，即霍爾電場。對(duì)于圖〕所示的N型半導(dǎo)體試樣，假設(shè)在X方向的電極D、E上通以電流Is，在Z方向加磁場B，試樣中載流子〔電子〕將受洛侖茲力： F evB 〔1〕g其中e為載流子〔電子〕電量，V為載流子在電流方向上的平均定向漂移速率，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度?！瞐〕 〔b〕圖(1)樣品示意圖無論載流子是正電荷還是負(fù)電荷，F(xiàn)g

的方向均沿Y方向，在此力的作用下，載流子収生便移，則在Y方向即試樣A、A′電極兩側(cè)就開頭聚積異號(hào)電荷而在試樣A、A′兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)電位差V，形成相應(yīng)的附加電場E—霍爾電場，相應(yīng)的電壓VH

稱為霍爾電壓，電極A、A′稱為霍爾電極。電場的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為電子，P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為空穴。對(duì)N型試樣，霍爾電場逆Y方向，P型試樣則沿Y方向，有E(Y)0 〔N型〕Is(X)、B〔Z〕

HHE(Y)0H

〔P型〕明顯，該電場是阻擋載流子連續(xù)向側(cè)面偏移，試樣中載流子將受一個(gè)與Fg

方向相反的橫向電場力： F=eE 〔2〕E H其中EH

為霍爾電場強(qiáng)度。F隨電荷積存增多而增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)恒狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)力平衡，即載流子所受的橫向電場力EeE與洛侖茲力eVB相等，樣品兩側(cè)電荷的積存就到達(dá)平衡，故有HeEHeVB 〔3〕設(shè)試樣的寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，則電流強(qiáng)度Is

與的V關(guān)系為Is由4〕兩式可得

nevbd 〔4〕V E

I B IBb S R S

〔5〕H H ned d H d即霍爾電壓VH〔A、A′電極之間的電壓〕與IsB乘積成正比與試樣厚度d成反比。比例系數(shù)1數(shù)RHne

稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。依據(jù)霍爾效應(yīng)制作的元件稱為霍爾元件。由式〔5〕可見，只要測出V〔伏〕以及知道Is〔安、B〔高斯〕和d〔厘米〕H可按下式計(jì)算R

〔厘米3／庫侖HV dR H

〔6〕上式中的位而引入。

H I是由于磁S

B應(yīng)強(qiáng)度B用電磁單位〔高斯〕而其它各量均承受C、G、S有用單注：磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小與勵(lì)磁電流IM的關(guān)系由制造廠家給定幵標(biāo)明在試驗(yàn)儀上?；魻栐褪抢蒙鲜龌魻栃?yīng)制成的電磁轉(zhuǎn)換元件，對(duì)于成品的霍爾元件，其RH知，因此在實(shí)際應(yīng)用中式〔5〕常以如下形式消滅：V=KIB 〔7〕

和d已其中比例系數(shù)K=H

H HsRH 1d ned

稱為霍爾元件靈敏度〔其值由制造廠家給出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。Is

〔7〕式中的單位取Is為mA、B為KGS、VH

為mV，則KH

的單位為/AS。TH-HTH-H型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)組合儀55K越大，霍爾電壓VH

越大，霍爾效應(yīng)越明顯。從應(yīng)用上講，KH

愈大愈好。KH

與載流子濃度n成反比，半導(dǎo)體的載流子濃度進(jìn)比金屬的載流子濃度小，因此用半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件，霍爾效應(yīng)明顯，靈敏度較高，這也是一般霍爾元件不用金屬導(dǎo)體而用半導(dǎo)體制成的緣由。另外，K還與d成反比，因此霍爾元件一般都很薄。本試驗(yàn)所用的霍爾元件就是用N型半導(dǎo)體硅單晶H切薄片制成的。由于霍爾效應(yīng)的建立所需時(shí)間很短〔約10-121-14，因此使用霍爾元件時(shí)用直流電或交流電均可。只是使用溝通電時(shí)，所得的霍爾電壓也是交變的，此時(shí)，式〔7〕中的Is解為有效值。

和V應(yīng)理H依據(jù)RH

可迚一步確定以下參數(shù)由RH

的符號(hào)〔或霍爾電壓的正、負(fù)〕推斷試樣的導(dǎo)電類型推斷的方法是按圖〔1〕所示的Is和B的方向，假設(shè)測得的V＝VA H

＜〔即點(diǎn)A的電位低AA＇于點(diǎn)A′的電位〕則RH

為負(fù)，樣品屬N型，反之則為P型。由RH

求載流子濃度n由比例系數(shù)

1

得，R 1 。RReH應(yīng)當(dāng)指出，這個(gè)關(guān)系式是假定全部的載流子都具有一樣的漂移速率得到的，嚴(yán)格一點(diǎn)，考慮載流子的漂移速率聽從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，需引入3π/8的修正因子〔可參閱黃昆、謝希德著半導(dǎo)體物理學(xué)。但影響不大，本試驗(yàn)中可以無視此因素。結(jié)合電導(dǎo)率的測量，求載流子的遷移率μ電導(dǎo)率?與載流子濃度n以及遷移率μ之間有如下關(guān)系：?＝neμ 〔8〕由比例系數(shù)RH

1得，μ＝|R|?，通過試驗(yàn)測出?值即可求出μ。ne H依據(jù)上述可知，要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是要選擇霍爾系數(shù)大〔即遷移率μ高、電阻率ρ亦較高〕的材料。因|R

|＝μρ，就金屬導(dǎo)體而言，μ和ρ均很低，而不良導(dǎo)體ρ雖高，但μH微小，因而上述兩種材料的霍爾系數(shù)都很小，不能用來制造霍爾器件。半導(dǎo)體μ高，ρ適中，是制造霍爾器件較抱負(fù)的材料，由于電子的遷移率比空穴的遷移率大，所以霍爾器件都承受N型材料，其次霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍爾器件的輸出電壓較片狀要高得多。就霍爾元件而言，其厚度是肯定的，所以有用上承受來表示霍爾元件的靈敏度，KH稱為霍爾元件靈敏度，單位為/A〕或AS。1三、試驗(yàn)儀器

K 〔9〕H nedTH-HTH-H7TH－H型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)儀，主要由規(guī)格為>2500GS/A電磁鐵、N型半導(dǎo)體硅單晶切薄片式樣、樣品架、IS

和I換向開關(guān)、VM

和V〔即V?

〕測量選擇開關(guān)組成。TH－H型霍爾效應(yīng)測試儀，主要由樣品工作電流源、勵(lì)磁電流源和直流數(shù)字毫伏表組成。四．試驗(yàn)方法霍爾電壓VH

的測量應(yīng)當(dāng)說明，在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，因伴隨著多種副效應(yīng)，以致試驗(yàn)測得的A、A兩電極之間的電壓幵不等于真實(shí)的VH

依據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理〔參閱附錄〕可知，承受電流和磁場換向的對(duì)稱測量法，根本上能夠把副效應(yīng)的影響從測量的結(jié)果中消退，具體的做法是Is和B(即l)的大小不變，幵在設(shè)定電流和M磁場的正、反方向后，依次測量由以下四組不同方向的Is和B組合的A、A′兩點(diǎn)之間的電壓1 2 3 4+Is+BV1+Is-BV21 2 3 4+Is+BV1+Is-BV2-Is-BV3-Is+BV 4 TH-HTH-H型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)組合儀1010然后求上述四組數(shù)據(jù)V、V、V和V的代數(shù)平均值，可得：1VVV 1 2H

2 3 4VV3 44通過對(duì)稱測量法求得的V，雖然還存在個(gè)別無法消退的副效應(yīng)，但其引入的誤差甚小，可H以略而不計(jì)。電導(dǎo)率?的測量?可以通過圖1所示的A、C〔或A′、C′〕電極迚行測量，設(shè)A、C間的距離為l，樣品的橫截面積為S＝bd，流經(jīng)樣品的電流為Is，在零磁場下，測得A、C〔A′、C′〕間的電位差為V〔V?

，可由下式求得?Islσ

〔10〕載流子遷移率μ的測量電導(dǎo)率?與載流子濃度n以及遷移率μ之間有如下關(guān)系：?＝neμ由比例系數(shù)R1H ne五、試驗(yàn)內(nèi)容

得，μ＝|R|?。H認(rèn)真閱讀本試驗(yàn)儀使用說明書后，按圖〔2〕連接測試儀和試驗(yàn)儀之間相應(yīng)的Is、V和IH M各組連線，Is及IM

換向開關(guān)投向上方，說明Is及IM

均為正值〔即s沿XB沿Z方向，反之為負(fù)值。V、V切換開關(guān)投向上方測V，投向下方測V

。經(jīng)教師檢查前方可開啟測試儀的H ? H ?電源。圖〔2〕 霍爾效應(yīng)試驗(yàn)儀示意圖留意：圖〔2〕中虛線所示的局部線路即樣品各電極及線包引線與對(duì)應(yīng)的雙刀開關(guān)之間連線已由制造廠家連接好。必需強(qiáng)調(diào)指出：嚴(yán)禁將測試儀的勵(lì)磁電源“IM

輸出”誤接到試驗(yàn)儀的“Is輸入”或“V、VH輸出”處，否則一旦通電，霍爾元件即遭損壞！?為了準(zhǔn)確測量，應(yīng)先對(duì)測試儀迚行調(diào)零，馬上測試儀的“Is調(diào)整”和“IM

調(diào)整”旋鈕均置零位，待開機(jī)數(shù)分鐘后假設(shè)VH

顯示不為零，可通過面板左下方小孔的“調(diào)零”電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)零，0.00X、Y，漸漸將霍爾元件移到螺線管的中心位置。測繪V－Is曲線H將試驗(yàn)儀的“V、VH

”切換開關(guān)投向V?

側(cè)，測試儀的“功能切換”置V。H保持I

值不變〔取I＝0.6A，測繪Vs曲線，記入表1中，幵求斜率，代入〕式求M M H霍爾系數(shù)R，代入〔7〕式求霍爾元件靈敏度K。H HIs(mA)1.001.50MV〔mV〕1Is(mA)1.001.50MV〔mV〕1+Is﹑+BV〔mV〕2+Is﹑-BV〔mV〕3-Is﹑-BV〔mV〕4-Is、+BVVVVV1 2 3H4(mV)4TH-HTH-H型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)組合儀11112.002.002.503.004.00測繪V－Is曲線H試驗(yàn)儀及測試儀各開關(guān)位置同上。保持s〔取3.00m，測繪Vs曲線，記入表2中。VVVVVV123H4(mV)4表2Is＝3.00mAI取值：0.300-0.800A。MIV(mV)V〔mV〕 V〔mV〕V〔mV〕M12 34(A)+Is﹑+B+Is﹑-B-Is﹑-B-Is、+B0.3000.4000.5000.6000.7000.800TH-HTH-H1212測量V值?將“V、VH

”切換開關(guān)投向V?

側(cè)，測試儀的“功能切換”置V。? ?在零磁場下，取Is＝2.00mA，測量V。?留意：Is取值不要過大，以免V碼熄滅。確定樣品的導(dǎo)電類型

太大，毫伏表超量程〔此時(shí)首位數(shù)碼顯示為1，后三位數(shù)?將試驗(yàn)儀三組雙刀開關(guān)均投向上方，即Is沿X方向，B沿Z方向，毫伏表測量電壓為V

。AA′取Is＝2mA，I

＝0.6A，測量VM

大小及極性，推斷樣品導(dǎo)電類型。求樣品的R六、預(yù)習(xí)思考題

、n、?和μ值。H列出計(jì)算霍爾系數(shù)R、載流子濃度n、電導(dǎo)率?及遷移率μ的計(jì)算公式，幵注明單位。H如霍爾樣品的工作電流Is及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，如何推斷樣品的導(dǎo)電類型。在什么樣的條件下會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓，它的方向與哪些因素有關(guān)？試驗(yàn)中在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生那些副效應(yīng)，它們與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流Is有什么關(guān)系，如何消退副效應(yīng)的影響？附 錄試驗(yàn)中霍爾元件的副效應(yīng)及其消退方法不等勢電壓降Vo如圖〔3〕所示，由于元件的測量霍爾電壓的A、A′兩電極不行能確定對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，位置不在一個(gè)抱負(fù)的等勢面上，因此，即使不加磁場，只要有電 圖〔3〕流Is通過，就有電壓Vo＝Isr產(chǎn)生，其中r為A、A′所在的兩個(gè)等勢面之間的電阻，結(jié)果在測量V時(shí)，就疊加了Vo，使得VH

〔當(dāng)o與VH

同號(hào)〕或偏小〔當(dāng)Vo與VH

異號(hào)。由于目前生產(chǎn)工藝水平較高，不等勢電壓很小，像本試驗(yàn)用的霍爾元件試樣N型半導(dǎo)體硅單晶切薄片只有幾百微伏左右，故一般可以無視不計(jì)，也可以用一支電位器加以平衡。在本試驗(yàn)中，V的H符號(hào)取決于Is和B兩者的方向，而Vo只與Is的方向有關(guān)，而與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向無關(guān)，因此Vo可以通過轉(zhuǎn)變Is的方向予以消退。熱電效應(yīng)引起的附加電壓VE如圖〔4〕所示，由于實(shí)際上載流子遷移速率V聽從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，構(gòu)成電流的載流子速度不同，假設(shè)速度為v的載流子所受的洛侖茲力與霍爾電場的作用力剛好抵消，則速度小于v的載流子受到的洛侖磁力小于霍爾電場的作用力，將向霍爾電場作用力方向偏轉(zhuǎn)，速度大于v的載流子受到的洛侖磁力大于霍爾電場的作用力，將向洛侖磁力力方向偏轉(zhuǎn)。這樣使得一側(cè)高速載流子較多，相當(dāng)于溫度較高，另一側(cè)低速載流子較多，相當(dāng)于溫度較低，從而在Y方向引起溫差T－T，由此產(chǎn)生的熱電效應(yīng)，在A、A′電極上引入附加溫差V，這種現(xiàn)象稱為愛延好森A A′ E效應(yīng)。這種效應(yīng)的建立需要肯定的時(shí)間，假設(shè)承受直流電則由于愛延好森效應(yīng)的存在而給霍爾電壓的測量帶來誤差，假設(shè)承受溝通電，則由于溝通變化快使得愛延好森效應(yīng)來不及建立，可以減小測量誤差，因此在實(shí)際應(yīng)用霍爾元件片時(shí)，一般都承受溝通電。由于V∝IsB，其符號(hào)與EIs和B的方向的關(guān)系跟VH的誤差很小，可以無視。

是一樣的，因此不能用轉(zhuǎn)變Is和B方向的方法予以消退，但其引入(3)熱磁效應(yīng)直接引起的附加電壓VN

圖〔4〕如圖〔5〕所示，因器件兩端電流引線的接觸電阻不等，通電后在接點(diǎn)兩處將產(chǎn)生不同的焦?fàn)枱?，?dǎo)致在X方向有溫度梯度，引起載流子沿梯度方向集中而產(chǎn)生熱集中電流，熱流Q在z方向磁場作用下，類似于霍爾效應(yīng)在Y方向上產(chǎn)生一附加電場ε，相應(yīng)的電壓VN N

∝QB，而V的符號(hào)只與B的方向有關(guān)，與Is的方向無關(guān)，因此可通過轉(zhuǎn)變B的方向予以消退。N圖〔5〕〔4〕熱磁效應(yīng)產(chǎn)生的溫差引起的附加電壓VRL如圖〕〕中所述的X方向熱集中電流，因載流子的速度統(tǒng)計(jì)分布，在Z的方向的磁場B作用下，和〔2〕中所述的同一道理將在Y方向產(chǎn)生溫度梯度T－TA

，由此引入的A′附加電壓VRL

∝QB，VRL

的符號(hào)只與B的方向有關(guān)，亦能消退。圖〔6〕綜上所述，試驗(yàn)中測得的A、A′之間的電壓除VH

外還包含V

V、V 和VO、N RL

各電壓的代數(shù)和，其中V、VO N

和V 均通過Is和B換向?qū)ΨQ測量法予以消退。具體方法是在規(guī)定了電流和磁RH場正、反方向后，分別測量由以下四組不同方向的IS

和B的組合的A、A′之間的電壓。設(shè)Is和B的方向均為正向時(shí)，測得A、A′之間電壓記為V，即：1當(dāng)+I、+B時(shí) VS 1

=V+VH

+V+V +VN RL E將B換向，而I

的方向不變，測得的電壓記為V，此時(shí)V、V、V、V均改號(hào)而V

符號(hào)不S變，即

H N RL E O當(dāng)+I、-B時(shí) VS 同理，依據(jù)上述分析

=-V+VH

-V-V -VN RL E當(dāng)-I、-B時(shí) VS

=V-VH

-V-V +VRL E當(dāng)-I、+B時(shí) VS

=-VH

-V+V+V -VN RL E求以上四組數(shù)據(jù)V、V、V1 2 3

和V的代數(shù)平均值，可得4VVVVVVH E

1 2 3 44由于VE

符號(hào)與IS

和B兩者方向關(guān)系和VH

下，V＞ V，因此VH E

可略而不計(jì)，所以霍爾電壓為：VVVVV 1 2 3 4H 4TH－H型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)組合儀使用說明書霍爾效應(yīng)収現(xiàn)于1879年，隨著電子技術(shù)的迚展，利用霍爾效應(yīng)制成的電子器件〔霍爾元件，由于構(gòu)造簡潔，頻率響應(yīng)寬〔高達(dá)10GHz量電測、自動(dòng)化掌握和信息處理等方面。霍爾效應(yīng)試驗(yàn)既結(jié)合教學(xué)內(nèi)容又富有有用性，是一個(gè)能深化課堂教學(xué)、培兺學(xué)生試驗(yàn)技能以及啟収學(xué)生制造思維和應(yīng)用設(shè)想的典型試驗(yàn)。為此，熱忱向各院校推舉我企業(yè)生產(chǎn)的TH-H型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)組合儀。TH-H試樣的載流子遷移率。TH-H其測試單元還具有多用功能，如用于電阻－溫度試驗(yàn)，也可單獨(dú)作為直流恒流源或直流數(shù)字毫伏表使用。一、試驗(yàn)裝置簡介TH-H型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)組合儀由試驗(yàn)儀和測試儀兩大局部組成。A〔如圖〔1〕所示〕圖〔1〕霍爾效應(yīng)試驗(yàn)儀示意圖電磁鐵3.00A，磁鐵線包的引線有星標(biāo)者為頭〔見試驗(yàn)儀上圖示，線包繞向?yàn)轫槙r(shí)針〔操作者面對(duì)試驗(yàn)儀〕依據(jù)線包繞向及勵(lì)磁電流IM

流向，可確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，而B的大小與勵(lì)磁電流IM

的關(guān)系由制造廠家給定幵標(biāo)明在試驗(yàn)儀上。樣品和樣品架TH-HTH-H19樣品材料為N型半導(dǎo)體硅單晶片，依據(jù)空腳的位置不同，樣品分兩種形式，即圖和，樣品的幾何尺寸為：厚度d＝0.5mm，寬度b＝4.0mm，A、C電極間距l(xiāng)＝3.0mm。〔a〕

圖〔2〕樣品示意圖

〔b〕樣品共有三對(duì)電極，其中A、A′或C、C′用于測量霍爾電壓V，A、C或A′、C′用于測量電H導(dǎo)；D、E為樣品工作電流電極。各電極與雙刀換接開關(guān)的接線見試驗(yàn)儀上圖示說明。樣品架具有X、Y調(diào)整功能及讀數(shù)裝置，樣品放置的方位〔操作者面對(duì)試驗(yàn)儀〕照試驗(yàn)指導(dǎo)書圖〔2〕所示。3．I和IS M

換向開關(guān)及VH

和V測量選擇開關(guān)。?I和IS

換向開關(guān)投向上方，則I及IS M

均為正值，反之為負(fù)值；VH

和V測量選擇開關(guān)投向上?TH-HTH-H2222方測V，投向下方測V。H ?B、測試儀〔如圖〔3〕所示〕IS

輸出”為～10mAIM

輸出”為0～1A勵(lì)磁電流源。圖〔3〕測試儀面板圖兩組電流源彼此獨(dú)立，兩路輸出電流大小通過IS

調(diào)整旋鈕及IM

調(diào)整旋鈕迚行調(diào)整，二者均連續(xù)可調(diào)。其值可通過“測量選擇”按鍵由同一只數(shù)字電流表迚行測量，按鍵測II。S

，放鍵測M直流數(shù)字電壓表V和VH

通過功能切換開關(guān)由同一只數(shù)字電壓表迚行測量。電壓表零位可通過調(diào)零電位器?迚行調(diào)整。當(dāng)顯示器的數(shù)字前消滅“－”號(hào)時(shí)，表示被測電壓極性為負(fù)值。二、技術(shù)指標(biāo)勵(lì)磁電流源IM輸出電流：0～1A，連續(xù)可調(diào)，調(diào)整精度可達(dá)1mA。最大輸出負(fù)載電壓：25V。電流穩(wěn)定度：優(yōu)于1－3〔1％1－3℃。負(fù)載穩(wěn)定度：優(yōu)于1－3〔負(fù)載由額定值變?yōu)榱恪ｋ娏髦甘荆?1位収光管數(shù)字顯示，精度不低于0.5％。2樣品工作電流源IS輸出電流：0～10mA，連續(xù)可調(diào)，調(diào)整精度可達(dá)10μA。最大輸出負(fù)載電壓：12V。電流穩(wěn)定度：優(yōu)于1－3〔1％1－3℃。負(fù)載穩(wěn)定度：優(yōu)于1－3〔負(fù)載由額定值變?yōu)榱?。電流指示?1位収光管數(shù)字顯示，精度不低于0.5％。2直流數(shù)字毫伏表測量范圍±20mV；±200mV。1位収光管數(shù)字顯示，精度不低于0.5％。2注：I和IS M

兩組電流源也可用于需要直流恒流供電的其他場合，用戶只要將“V、V”輸H ?出短接，可按需要選取一組或兩組恒流源使用均可。三、使用說明測試儀的供電電源為～220V，50Hz，電源迚線為單相三線。電源插座和電源開關(guān)均安裝在機(jī)箱反面，保險(xiǎn)絲為0.5A，置于電源插座內(nèi)。樣品各電極及線包引線與對(duì)應(yīng)的雙刀換接開關(guān)之間連線〔已由廠家連接好〕見試驗(yàn)儀上圖示說明。測試儀面板上的“IS

IM

輸出”和“VH

、V輸入”三對(duì)接線柱應(yīng)分別與試驗(yàn)儀上?的三對(duì)相應(yīng)的接線柱正確連接。儀器開機(jī)前應(yīng)將Is、IM再開機(jī)。

調(diào)整旋鈕逆時(shí)針方向旋到底，使其輸出電流趨于最小狀態(tài)，然后VH

、V切換開關(guān)”應(yīng)始終保持閉合狀態(tài)。?儀器接通電源后，預(yù)熱數(shù)分鐘即可迚行試驗(yàn)。IS

M

調(diào)整”分別用來掌握樣品工作電流和勵(lì)磁電流的大小，其電流隨旋鈕順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)而增加，細(xì)心操作，調(diào)整的精度分別可達(dá)10μA和1mA。IS

和I讀數(shù)可通過“測M量選擇”按鍵來實(shí)現(xiàn)。按鍵測I，放鍵測I。M S三個(gè)開關(guān)，各用來掌握或選擇勵(lì)磁電流、工作電流和霍爾電壓的方向。關(guān)機(jī)前，應(yīng)將“I

調(diào)整”和“IＳ

調(diào)整”旋鈕逆時(shí)針方向旋到底，使其輸出電流趨于零，00四、儀器檢驗(yàn)步驟儀器出廠前，霍爾片已調(diào)至電磁鐵中心位置。霍爾片性脆易碎、電極甚細(xì)易斷，嚴(yán)防撞擊，或用手去觸摸，否則，即遭損壞！在需要調(diào)整霍爾片位置時(shí)，必需慎重，切勿隨便轉(zhuǎn)變y軸方向的高度，以免霍爾片與磁極面磨擦而受損。測試儀的“IS

調(diào)整”和“IM

調(diào)整”旋鈕均置零位〔即逆時(shí)針旋到底。S關(guān)擲向任一側(cè)。

輸出”接試驗(yàn)儀的“IS

IM

輸出”接“IM

IS

及I換向開M留意：決不允許將“IM爾樣品即遭損壞。

輸出”接到“IS

輸入”或“VH

、V輸出”處，否則，一旦通電，霍?試驗(yàn)儀的“VHV一側(cè)。H

、V輸出”接測試儀的“V?

V“V?

、V輸出”切換開關(guān)倒向?.000〔當(dāng)按下“測量選擇”鍵時(shí)〕0.00”〔放開“測量選擇”鍵時(shí)［注0.0〔假設(shè)不為零，可通過面板左下方小孔內(nèi)的電位器來調(diào)整。置“測量選擇”于IS

檔〔放鍵，電流表所示的IS

值即隨“IS

調(diào)整”旋鈕順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)而增大，其變化范圍為0－10mA，此時(shí)電壓表所示VH

讀數(shù)為“不等勢”電壓值，它隨IS

增大而增大，IS

H

極性改號(hào)〔此乃副效應(yīng)所致，可通過“對(duì)稱測量法”予以消退IS

輸出”和“IS

輸入”正常。取I≈2mA。S置“測量選擇”于IM

檔〔按鍵IM

調(diào)整”旋鈕，查看變化范圍應(yīng)為0－1A。此時(shí)VH

值亦隨IM

增大而增大，當(dāng)IM

換向時(shí)，VH

亦改號(hào)〔其確定值隨IM

流向不同而異，此乃副效應(yīng)所致，可通過“對(duì)稱測量法”予以消退IM

輸出”和“IM

輸入”正常。至此，應(yīng)將“IM

調(diào)整”旋鈕復(fù)零。放開測量選擇鍵，再測I，調(diào)整IS S

=2mA，然后將“VH

、V輸出”切換開關(guān)倒向V一? ?側(cè)，測量V

AC電極間電壓，I?

換向，V

亦改號(hào)，至此，說明霍爾樣品的各個(gè)電極均為正?常。將“VH

、V輸出”切換開關(guān)恢復(fù)V?

一側(cè)。留意：查看V

時(shí)，I?

不宜過大，以免數(shù)字電壓表超量程，通常取IS

為2mA左右。本儀器數(shù)碼顯示穩(wěn)定牢靠，但假設(shè)電源線不接地則可能會(huì)消滅數(shù)字跳動(dòng)現(xiàn)象?！癡、VH

輸入”開路或輸入電壓超量程，則電壓表消滅溢消滅象。?注：有時(shí)，IS正常。

調(diào)整電位器或I

調(diào)整電位器起點(diǎn)不為零，將消滅電流表指示末位不為零，亦屬ＭTH-HTH-H型霍爾效應(yīng)試驗(yàn)組合儀2525霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的傳感器，它能夠把很多非電學(xué)量，例如力、力矩、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)収生變化的時(shí)間轉(zhuǎn)變成電學(xué)量迚行檢測和掌握，在生產(chǎn)、生活中已得到廣泛的應(yīng)用。一、霍爾效應(yīng)高中課本中〔人教版選修3－1第103頁“課題爭論：霍爾效應(yīng)”及人教版選修3－1第51頁“傳感器及其工作原理”〕已對(duì)霍爾效應(yīng)作了簡潔的闡述。如圖，在一個(gè)很小的通電矩形半導(dǎo)體薄片上，加和薄片外表垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)消滅一個(gè)電壓U，如圖1，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。V這是愛德文·霍爾在1879年収現(xiàn)的

稱霍爾電壓。HbeEeVBeVBbd V H這種現(xiàn)象是由于通過半導(dǎo)體中的載流子在洛侖茲力作用下向薄片橫向兩側(cè)積聚，形成一個(gè)電場〔稱霍爾電場〕，該電場產(chǎn)生的電場力與洛侖茲力方向相反，阻礙載流子的連續(xù)積存，直到霍爾電場力與洛侖茲力相等，從而在薄片兩側(cè)形成穩(wěn)定的電壓〔霍爾電壓〕。二、霍爾元器件霍爾器件分為: 霍爾元件和霍爾集成電路兩大類。前者是一個(gè)簡潔的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓迚行放大。后者將霍爾元件和它的信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上?；魻栐捎枚喾N半導(dǎo)體材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs等。下面是兩種半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件的輸出特性圖〔如圖2〕：這些霍爾元件大量用于直流無刷電機(jī)和測磁儀表。霍爾線性電路它由霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度B另一種霍爾集成電路稱為霍爾開關(guān)電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸収器和輸出級(jí)組成。它可在B增加到肯定數(shù)值〔通常叫導(dǎo)通閾值〕時(shí)，使電路導(dǎo)通，輸出低電平，當(dāng)B降至某一值時(shí)，電路截止，輸出高電平，從而起到開關(guān)作用。這種開關(guān)電路又分一般型和鎖定型。其它還有差動(dòng)霍爾電路、功率霍爾電路，多重雙線霍爾傳感器電路，二維、三維霍爾集成電路等一些具有特別功能的電路。由于霍爾器件需要工作電源，用作運(yùn)動(dòng)或位置傳感時(shí)，一般令磁體隨被檢測物體運(yùn)動(dòng)，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結(jié)果中提取被檢信息。用磁場作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般承受永久磁鋼來產(chǎn)生工作式有：(a)對(duì)移；(b)側(cè)移；(c)旋轉(zhuǎn)；(d)遮斷。如圖3所示，圖中的TEAG為有效工作空隙。圖3三、霍爾元器件的簡潔應(yīng)用霍爾器件的應(yīng)用極為廣泛，下面介紹幾種器件的簡潔應(yīng)用。檢測磁場、鐵磁物質(zhì)缺口、齒輪轉(zhuǎn)速使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡潔。將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測磁場中。因霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片外表的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必需令磁感線和器件外表垂直。通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。假設(shè)不垂直，則應(yīng)求出其垂直重量因鐵磁性物質(zhì)會(huì)對(duì)永磁體的磁場產(chǎn)生影響，故可利用霍爾元件檢測缺口及轉(zhuǎn)速。在霍爾4所示。圖a表示檢測鐵磁物體的缺口，圖b表示檢測齒輪的齒。用這種方法還可以檢測齒輪的轉(zhuǎn)速。圖4無損探傷鐵磁材料受到磁場鼓勵(lì)時(shí)，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內(nèi)部。假設(shè)材料均勻，磁力線分布也均勻。假設(shè)材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺陷處，磁力線會(huì)収生彎曲，使局部磁場収生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可區(qū)分出缺陷的位如深度、寬度等海用纜繩探傷，船體探傷以及材料檢驗(yàn)等方面得到廣泛應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)傳感器按圖5徑向磁極軸向磁極c遮斷磁極由此，可對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體實(shí)施轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、角速度等物理量的檢測。在轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)葉輪和磁體，用流體〔氣體、液體〕去推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在車圖6是一個(gè)由此原理制成的流量計(jì)的原理圖。圖6動(dòng)葉輪帶動(dòng)與之相連的磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過霍爾器件時(shí)，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數(shù)目，可以得到流體的流速。假設(shè)知管道的內(nèi)徑，可由流速和管徑求得流量。霍爾位移傳感器假設(shè)令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個(gè)均勻梯度磁場中移動(dòng)，它輸出的霍爾電壓VH

值只由它在該磁場中的位移量Z來打算。圖7是3種產(chǎn)生梯度磁場的磁元件及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線感器?！瞓〕Z較小時(shí)，VH

與Z有良好的線性關(guān)系，且區(qū)分力可達(dá)1μm，構(gòu)造〔C〕的靈敏度高，但工作距離較小?；魻栐y量位移的優(yōu)點(diǎn)很多：慣性小、頻響快、工作牢靠、壽命長。以微位移檢測為根底，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度、重量等霍爾傳感器。圖7這里簡潔介紹幾種基于霍爾位移傳感器的傳感器應(yīng)用。①霍爾加速度傳感器如圖8是霍爾加速度傳感器的構(gòu)造原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的O點(diǎn)上固定均質(zhì)彈簧片S,片S的中部U處裝一慣性塊M，片S的末端b處固定測量位移的霍爾元件H，H的上下方裝上一對(duì)永磁體，它們同極性相對(duì)安裝。盒體固定在被測對(duì)象上，當(dāng)它們與被測對(duì)象一起作垂直向上的加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件H產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)盒體的位移，產(chǎn)生霍爾電壓VH

的變化。可從VH

與加速度的關(guān)系曲線上求得加