霍爾效應含數據處理樣版

1、霍爾效應及其應用置于磁場中的載流體， 如果電流方向與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產生一附加的橫向電場，這個現象是霍普斯金大學研究生霍爾于1879年4又現的，后被稱為霍爾效應。隨著半導體物理學的迅速4又展，霍爾系數和電導率的測量已成為研究半導體材料的主要方法之 一。通過實驗測量半導體材料的霍爾系數和電導率可以判斷材料的導電類型、載流子濃度、載 流子遷移率等主要參數。若能測量霍爾系數和電導率隨溫度變化的關系，還可以求出半導體材 料的雜質電離能和材料的禁帶寬度。如今，霍爾效應不但是測定半導體材料電學參數的主要手 段，而且隨著電子技術的4又展，利用該效應制成的霍爾器件，由于結構簡單、頻率響應

2、寬（高 達10GHz）、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛用于非電量測量、自動控制和信息處理等方面。 在工業(yè)生產要求自動檢測和控制的今天，作為敏感元件之一的霍爾器件，將有更廣闊的應用前 景。了解這一富有實用性的實驗，對日后的工作將有益處。一、實驗目的1 . 了解霍爾效應實驗原理以及有關霍爾元件對材料要求的知識。2 .學習用“對稱測量法”消除副效應的影響，測量開繪制試樣的Vh Is和VhIm曲線。3 .確定試樣的導電類型、載流子濃度以及遷移率。二、實驗原理霍爾效應從本質上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉。當帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉就導致在垂直電流和磁場的

3、方向上產生正負 電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場，即霍爾電場。對于圖（1） （a）所示的N型半導體試樣，若在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：Fg = e v B（1）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為磁感應無論載流子是正電荷還是負電荷，Fg的方向均沿Y方向，在此力的作用下，載流子4又生便移，則在Y方向即試樣A、A'電極兩側就開始聚積異號電荷而在試樣 A、A'兩側產生一個電位差Vh,形成相應的附加電場 E霍爾電場，相應的電壓 Vh稱為霍爾電壓，電極 A、A1稱為霍爾電極。電場的指向

4、取決于試樣的導電類型。載流子為空穴。對 N型試樣，霍爾電場逆Is (X)、B (Z)Eh (Y) < 0日(Y). 0顯然，該電場是阻止載流子繼續(xù)向側面偏移，電場力：FE=eE其中Eh為霍爾電場強度。N型半導體的多數載流子為電子，P型半導體的多數Y方向，P型試樣則沿Y方向，有(NE1)(叫試樣中載流子將受一個與Fg方向相反的橫向(2)FE隨電荷積累增多而增大，當達到穩(wěn)恒狀態(tài)時，兩個力平衡，即載流子所受的橫向電場力 e Eh與洛侖茲力eVB相等，樣品兩側電荷的積累就達到平衡，故有eE H =eVB(3)設試樣的寬度為 b,厚度為d,載流子濃度為n,則電流強度Is與的V關系為Is =neVb

5、d(4、由(3)、(4)兩式可得1 I S BI S BVH = E H b = R H （ 5 ）ned dd即霍爾電壓 VH （A、A電極之間白電壓）與IsB乘積成正比與試樣厚度 d成反比。比例系.1數RH =稱為霍爾系數，它是反映材料霍爾效應強弱的重要參數。根據霍爾效應制作的兀件n e稱為霍爾元件。由式（5）可見，只要測出 Vh （伏）以及知道Is （安）、B （高斯）和d （厘米）可按下式計算 Rh （厘米3/庫侖）。RH =V-d-X1 0 2Is B上式中的108是由于磁感應強度 B用電磁單位（高斯）而其它各量均采用C、G、S實用單位而引入。注：磁感應強度 B的大小與勵磁電流IM的

6、關系由制造廠家給定開標明在實驗儀上。對于成品的霍爾元件，其Rh和d已（其值由制造廠家給出），它表示該器件Is稱為控制電流。（7）式中的單位取Is霍爾元件就是利用上述霍爾效應制成的電磁轉換元件，知，因此在實際應用中式（5）常以如下形式出現：Vh=KhIsBRu1其中比例系數 Kh= =稱為霍爾兀件靈敏度d ned在單位工作電流和單位磁感應強度下輸出的霍爾電壓。為 mA、B 為 KGS Vh 為 mV,則 KH 的單位為 mV/ ( mA KGS)。Kh越大，霍爾電壓 Vh越大，霍爾效應越明顯。從應用上講，Kh愈大愈好。Kh與載流子濃度n成反比，半導體的載流子濃度進比金屬的載流子濃度小，因此用半導

7、體材料制成的霍爾元件，霍爾效應明顯，靈敏度較高，這也是一般霍爾元件不用金屬導體而用半導體制成的原因。另外,Kh還與d成反比，因此霍爾元件一般都很薄。本實驗所用的霍爾元件就是用N型半導體硅單晶切薄片制成的。由于霍爾效應的建立所需時間很短（約10-1210-14s）,因此使用霍爾元件時用直流電或交流電均可。只是使用交流電時，所得的霍爾電壓也是交變的，此時，式（7）中的Is和Vh應理解為有效值。根據Rh可逆一步確定以下參數1 .由Rh的符號（或霍爾電壓的正、負）判斷試樣的導電類型A判斷的方法是按圖（1）所示的Is和B的方向，若測得的 Vh=Vaa <0,（即點A的電位低于點A'的電位）

8、則Rh為負，樣品屬N型，反之則為P型。2 .由Rh求載流子濃度n11由比例系數Rh =得,RH。nerh e應該指出，這個關系式是假定所有的載流子都具有相同的漂移速率得到的，嚴格一點，考慮載流子的漂移速率服從統(tǒng)計分布規(guī)律，需引入3冗/8的修正因子（可參閱黃昆、謝希德著半導體物理學）。但影響不大，本實驗中可以忽略此因素。3.結合電導率的測量，求載流子的遷移率H電導率？與載流子濃度 n以及遷移率w之間有如下關系：? = n e（8）一，1由比例系數Rh = 得，科=|Rh|?,通過實驗測出 ？值即可求出科。 n e根據上述可知，要得到大的霍爾電壓，關鍵是要選擇霍爾系數大（即遷移率w高、電阻率p亦較

9、高）的材料。因|Rh|=wp,就金屬導體而言，（I和P均很低，而不良導體P雖高，但!I極小，因而上述兩種材料的霍爾系數都很小，不能用來制造霍爾器件。半導體科高，p適中，是制造霍爾器件較理想的材料，由于電子的遷移率比空穴的遷移率大，所以霍爾器件都采用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，其厚度是一定的，所以實用上采用來表示霍爾元件的靈敏度，Kh稱為霍爾元件靈敏度，單位為mV/ （mA T）或mV/ （mA KGS）。1Kh=r（9）n e d三、實驗儀器1. THH型霍爾效應實驗儀，主要由規(guī)格為>2500GS/A電磁

10、鐵、N型半導體硅單晶切薄片式樣、樣品架、Is和Im換向開關、Vh和V?（即Vac）測量選擇開關組成。2. TH-H型霍爾效應測試儀，主要由樣品工作電流源、勵磁電流源和直流數字毫伏表組 成。四.實驗方法1.霍爾電壓Vh的測量應該說明，在產生霍爾效應的同時，因伴隨著多種副效應，以致實驗測得的A、A兩電極之間的電壓開不等于真實的Vh值，而是包含著各種副效應引起的附加電壓，因此必須設法消除。根據副效應產生的機理（參閱附錄）可知，采用電流和磁場換向的對稱測量法，基本上能夠把 副效應的影響從測量的結果中消除，具體的做法是Is和B（即1m）的大小不變，開在設定電流和磁場的正、反方向后，依次測量由下列四組不同

11、方向的Is和B組合的A、A兩點之間的電壓、V2、 V 和 V4 ,即+Is+BV+Is-BV2-Is-BV-Is+BV然后求上述四組數據 Vi、V V3和V的代數平均值，可得:Vl -V2 - V3 -V4 Vh = 4通過對稱測量法求得的 Vh,雖然還存在個別無法消除的副效應， 以略而不計。2.電導率？的測量?可以通過圖 1所示的A、C （或A'、C'）電極速行測量，設但其引入的誤差甚小， 可橫截面積為S=b d,流經樣品的電流為Is,在零磁場下，測得 A、C, C間的距離為I,樣品的（A'、C'）間的電位差為V? (Vac),可由下式求得？Is l(T =V

12、bS(10)3.載流子遷移率p的測量電導率？與載流子濃度 n以及遷移率w之間有如下關系:? = n e11由比例系數 Rh = 得，科=|Rh|?0n e五、實驗內容接測衽儀接相鬧:僅接測試儀H揄出“丫。輸人工輸出圖（2）霍爾效應實驗儀示意圖仔細閱讀本實驗儀使用說明書后，按圖（2）連接測試儀和實驗儀之間相應的Is、Vh和Im各組連線，Is及Im換向開關投向上方，表明Is及Im均為正值（即Is沿X方向，B沿Z方向），反之為負值。Vh、V?切換開關投向上方測 Vh,投向下方測V?。經教師檢查后方可開啟測試儀的 電源。 IF注意：圖（2）中虛線所示的部分線路即樣品各電極及線包引線與對應的雙刀開關之間

13、連 線已由制造廠家連接好）。必須強調指出：嚴禁將測試儀的勵磁電源“Im輸出”誤接到實驗儀的“ Is輸入”或“ Vh、V?輸出”處，否則一旦通電，霍爾元件即遭損壞！為了準確測量，應先對測試儀速行調零，即將測試儀的“Is調節(jié)”和“ Im調節(jié)”旋鈕均置零位，待開機數分鐘后若 Vh顯示不為零，可通過面板左下方小孔的“調零”電位器實現調零， 即“0.00”。轉動霍爾元件探桿支架的旋鈕X、Y,慢慢將霍爾元件移到螺線管的中心位置。1 .測繪VhIS曲線將實驗儀的“ Vh、V?”切換開關投向 Vh側，測試儀的“功能切換”置Vh。保持Im值不變（取Im=0.6A）,測繪VhIs曲線，記入表1中，開求斜率，代入（

14、6）式求霍爾系數Rh,代入（7）式求霍爾兀件靈敏度Kho表 1 Im=0.6A Is 取值：1.00-4.00 mA。Is (mA)Vi (mV)V2 (mV)V3 (mV)V4 (mV)Vi -V2 +V3 -V4Vh =(mV)4+Is 、+B+Is、-B-Is、-B-Is、+B1.001.502.002.503.004.002 .測繪Vh Is曲線實驗儀及測試儀各開關位置同上。保持Is值不變，（取Is = 3.00mA）,測繪VhIs曲線，記入表2中。表 2 Is= 3.00mA Im 取值：0.300-0.800A。ImVi (mV)V2 (mV)V3 (mV)V4 (mV)V 1 -

15、V2 +V3 -V4(A)+ Is、+B+Is 、-B-Is、-B-Is、+BV h (mV)40.3000.4000.5000.6000.7000.8003 .測量V?值將“ Vh、V? ”切換開關投向 V?側，測試儀的“功能切換”置 V?。在零磁場下，取Is= 2.00mA,測量V?。注意：Is取值不要過大，以免 V?太大，毫伏表超量程（此時首位數碼顯示為1,后三位數碼熄滅）。4 .確定樣品的導電類型將實驗儀三組雙刀開關均投向上方，即Is沿X方向，B沿Z方向，毫伏表測量電壓為 3取Is = 2mA, Im=0.6A,測量Vh大小及極性，判斷樣品導電類型。5 .求樣品的Rh、n、？和科值。

16、六、預習思考題1 .列出計算霍爾系數 Rh、載流子濃度n、電導率？及遷移率 科的計算公式，開注明單位。2 .如已知霍爾樣品的工作電流Is及磁感應強度 B的方向，如何判斷樣品的導電類型。3 .在什么樣的條件下會產生霍爾電壓，它的方向與哪些因素有關？4 .實驗中在產生霍爾效應的同時，還會產生那些副效應，它們與磁感應強度B和電流Is有什么關系，如何消除副效應的影響？ 附錄實驗中霍爾元件的副效應及其消除方法Ar（1）不等勢電壓降 VoIs |等一面 I*l I-A如圖（3）所示，由于元件的測量霍爾電壓的A、A''兩電極不可能絕對對稱地焊在霍爾片的兩側，位置不在一個理想的等勢面上，因此，

17、即使不加磁場，只要有電圖（3）流Is通過，就有電壓 Vo=Is r產生，其中r為A、A所在的兩個等勢面之間的電阻，結果在測量Vh時，就疊加了 Vo,使得Vh值偏大，（當Vo與Vh同號）或偏?。ó?Vo與Vh異號）。由于目 前生產工藝水平較高，不等勢電壓很小，像本實驗用的霍爾元件試樣N型半導體硅單晶切薄片只有幾百微伏左右，故一般可以忽略不計，也可以用一支電位器加以平衡。在本實驗中，Vh的符號取決于Is和B兩者的方向，而 Vo只與Is的方向有關，而與磁感應強度B的方向無關，因此Vo可以通過改變Is的方向予以消除。（2）熱電效應引起的附加電壓 Ve如圖（4）所示，由于實際上載流子遷移速率V服從統(tǒng)計分

18、布規(guī)律，構成電流的載流子速度不同，若速度為 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，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。這樣使得一側高速載流子較多，相當于溫度較高，另一側低速載流子較多，相當于溫度較低，從而在丫方向引起溫差Ta-Ta,由此產生的熱電效應，在A、A'電極上引入附加溫差Ve,這種現象稱為愛延好森效應。這種效應的建立需要一定的時間，如果采用直流電則由于愛延好森效應的存在而給霍爾電壓的測量帶來誤差，如果采用交流電，則由于交流變化快使得愛延好森

19、效應來不及建立，可以減小測量誤差，因此在實際應用霍爾元件片時，一般都采用交流電。由于Ve8|sB,其符號與Is和B的方向的關系跟 Vh是相同的，因此不能用改變 Is和B方向的方法予以消除，但其引入 的誤差很小，可以忽略。圖（4）（3）熱磁效應直接引起的附加電壓Vn如圖（5）所示，因器件兩端電流引線的接觸電阻不等，通電后在接點兩處將產生不同的焦爾熱，導致在 X方向有溫度梯度，引起載流子沿梯度方向擴散而產生熱擴散電流，熱流 Q在z方向磁場作用下，類似于霍爾效應在Y方向上產生一附加電場e N,相應白電壓Vn 8 Q B,而Vn的符號只與B的方向有關，與Is的方向無關，因此可通過改變B的方向予以消除。

20、產圖（5）（4）熱磁效應產生的溫差引起的附加電壓Vrl如圖（6）所示，（3）中所述的X方向熱擴散電流，因載流子的速度統(tǒng)計分布，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方向產生溫度梯度 Ta Ta;由此引入的 附加電壓Vrl 8 Q B, Vrl的符號只與B的方向有關，亦能消除。dT » dT idTT圖（6）綜上所述，實驗中測得的A、A之間的電壓除Vh外還包含 Vo、Vn、Vrl和Ve各電壓的代數和，其中V。、Vn和Vrh均通過Is和B換向對稱測量法予以消除。具體方法是在規(guī)定了電流和磁 場正、反方向后，分別測量由下列四組不同方向的Is和B的組合的A、A'

21、之間的電壓。設Is和B的方向均為正向時，測得 A、A之間電壓記為Vi,即：當+|s、+B 時Vi = Vh+Vo+Vn+Vrl +VeVo符號不將B換向，而Is的方向不變，測得的電壓記為V2,此時Vh、Vn、Vrl、Ve均改號而變，即當+Is、-B時同理，按照上述分析當-Is、-B時當-Is、+B時V2 =-Vh +Vo-Vn-V RL-VeV =Vh-Vo-Vn-Vrl +VeV4 =-VH -V O +Vn +VrL -V E求以上四組數據Vi、V2、V3和V4的代數平均值，可得VhVeVi -V2V3 V4由于Ve符號與Is和B兩者方向關系和 Vh是相同的,故無法消除,但在非大電流,非強

22、磁場下，Vh» Ve,因此Ve可略而不計，所以霍爾電壓為:Vi -V2V3 - V4Vh =TH-H型霍爾效應實驗組合儀霍爾效應4又現于1879年，隨著電子技術的速展，利用霍爾效應制成的電子器件（霍爾元 件），由于結構簡單，頻率響應寬（高達10GHz）、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛用于非電量電測、自動化控制和信息處理等方面。霍爾效應實驗既結合教學內容又富有實用性，是一個能深化課堂教學、培忿學生實驗技能以及啟4又學生創(chuàng)造思維和應用設想的典型實驗。為此，熱忱向各院校推薦我企業(yè)生產的TH-H型霍爾效應實驗組合儀。TH-H型霍爾效應實驗組合儀可測定霍爾系數和載流子濃度，此外，結合電導率測量

23、可確定試樣的載流子遷移率。TH-H型霍爾效應實驗組合儀設計合理，性能穩(wěn)定，各項技術指標完全符合實驗要求。此外,其測試單元還具有多用功能，如用于電阻-溫度實驗，也可單獨作為直流恒流源或直流數字毫 伏表使用。一、實驗裝置簡介TH-H型霍爾效應實驗組合儀由實驗儀和測試儀兩大部分組成。A.實驗儀（如圖（1）所示）圖（1）霍爾效應實驗儀示意圖1 .電磁鐵規(guī)格為3.00 KGS/A,磁鐵線包的引線有星標者為頭（見實驗儀上圖示），線包繞向為順時針（操作者面對實驗儀）根據線包繞向及勵磁電流Im流向，可確定磁感應強度 B的方向，而B的大小與勵磁電流Im的關系由制造廠家給定開標明在實驗儀上。2 .樣品和樣品架樣品

24、材料為N型半導體硅單晶片，根據空腳的位置不同，樣品分兩種形式，即圖(2) (a)和(b),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=3.0mm。(a)樣品共有三對電極，其中(b)圖(2)樣品示意圖A、A或C、C'用于測量霍爾電壓Vh, A、C或A'、C'用于測量電導；D、E為樣品工作電流電極。各電極與雙刀換接開關的接線見實驗儀上圖示說明。樣品架具有 X、Y調節(jié)功能及讀數裝置，樣品放置的方位(操作者面對實驗儀)如實驗指導書圖(2)所示。3. Is和Im換向開關及Vh和V?測量選擇開關。Is和Im換向開關投向上方，則Is及Im

25、均為正值，反之為負值；Vh和V?測量選擇開關投向上方測Vh,投向下方測V?。B、測試儀（如圖（3）所示）1. “Is輸出”為。10mA樣品工作電流源，“Im輸出”為。1A勵磁電流源。Is 制 出O堀冽換VcOVHIs. %顯示0 +小阱-I 0洲f選擇e調節(jié)工2 In_TL j-l圖（3）測試儀面板圖兩組電流源彼此獨立，兩路輸出電流大小通過Is調節(jié)旋鈕及Im調節(jié)旋鈕逆行調節(jié)，二者均連續(xù)可調。其值可通過“測量選擇”按鍵由同一只數字電流表逆行測量，按鍵測Im,放鍵測Is o2.直流數字電壓表逆行調整。當顯示器的數字前出現“一Vh和V?通過功能切換開關由同一只數字電壓表速行測量。電壓表零位可通過調零

26、電位器 號時，表示被測電壓極性為負值。、技術指標1 .勵磁電流源Im輸出電流：01A,連續(xù)可調，調節(jié)精度可達1mA。最大輸出負載電壓：25V。電流穩(wěn)定度：優(yōu)于 10 3 （交流輸入電壓變化土 10%）。電流溫度系數：v M3C。負載穩(wěn)定度：優(yōu)于10 3 （負載由額定值變?yōu)榱悖?1電流指不：32位4又光管數字顯不，精度不低于0.5%。2 .樣品工作電流源Is輸出電流：010mA,連續(xù)可調，調節(jié)精度可達 10 A。最大輸出負載電壓：12V。電流穩(wěn)定度：優(yōu)于 10 3 （交流輸入電壓變化土 10%）。電流溫度系數：v M3C。負載穩(wěn)定度：優(yōu)于10 3 （負載由額定值變?yōu)榱悖ｋ娏髦甘荆?1位4又光

27、管數字顯示，精度不低于0.5%。23 .直流數字毫伏表測量范圍 ±20mV; ±200mVo1 32位4又光管數字顯不，精度不低于0.5%。注：Is和Im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“Vh、V?”輸出短接，可按需要選取一組或兩組恒流源使用均可。 三、使用說明1 .測試儀的供電電源為220V, 50Hz,電源速線為單相三線。2 .電源插座和電源開關均安裝在機箱背面，保險絲為0.5A,置于電源插座內。3 .樣品各電極及線包引線與對應的雙刀換接開關之間連線（已由廠家連接好） 見實驗儀上圖示說明。4 .測試儀面板上的“ Is輸出”、“Im輸出”和“ Vh

28、、V?輸入”三對接線柱應分別與實驗儀上 的三對相應的接線柱正確連接。5 .儀器開機前應將Is、Im調節(jié)旋鈕逆時針方向旋到底，使其輸出電流趨于最小狀態(tài)，然后 再開機。6 . “Vh、V?切換開關”應始終保持閉合狀態(tài)。7 .儀器接通電源后，預熱數分鐘即可逆行實驗。8 . “Is調節(jié)”和“ Im調節(jié)”分別用來控制樣品工作電流和勵磁電流的大小，其電流隨旋鈕順 時針方向轉動而增加，細心操作，調節(jié)的精度分別可達10 dA和1mA。Is和Im讀數可通過“測量選擇”按鍵來實現。按鍵測Im,放鍵測Is。9 .三個開關，各用來控制或選擇勵磁電流、工作電流和霍爾電壓的方向。10 .關機前，應將“ Is調節(jié)”和“ I

29、m調節(jié)”旋鈕逆時針方向旋到底，使其輸出電流趨于零，此時指示器讀數為“ 000”，然后才可切斷電源。四、儀器檢驗步驟1 .儀器出廠前，霍爾片已調至電磁鐵中心位置。霍爾片性脆易碎、電極甚細易斷，嚴防 撞擊，或用手去觸摸，否則，即遭損壞！在需要調節(jié)霍爾片位置時，必須謹慎，切勿隨意改變 y軸方向的高度，以免霍爾片與磁極面磨擦而受損。2 .測試儀的“ Is調節(jié)”和“ Im調節(jié)”旋鈕均置零位（即逆時針旋到底）。3 .測試儀的“ Is輸出”接實驗儀的“ Is輸入”，“Im輸出”接“Im輸入”，開將Is及Im換向開 關擲向任一側。注意：決不允許將“ Im輸出”接到“ Is輸入”或“ Vh、V?輸出”處，否則，

30、一旦通電，霍 爾樣品即遭損壞。4 .實驗儀的“ Vh、V?輸出”接測試儀的“ Vh、V?輸入”，“Vh、V?輸出”切換開關倒向Vh 一側。5 .接通電源，預熱數分鐘后，電流表顯示“.000”（當按下“測量選擇”鍵時）或“0.00”（放開“測量選擇”鍵時） 注,電壓表顯示為“ 0.00”（若不為零，可通過面板左下方小孔內的電位器來調整）。6 .置“測量選擇”于Is檔（放鍵），電流表所示的Is值即隨“ Is調節(jié)”旋鈕順時針轉動而 增大，其變化范圍為 010mA,此時電壓表所示 Vh讀數為“不等勢”電壓值，它隨 Is增大而增 大，Is換向，Vh極性改號（此乃副效應所致，可通過“對稱測量法”予以消除）

31、，說明“ Is輸出”和“Is輸入”正常。取Is=2mA。7 .置“測量選擇”于Im檔（按鍵），順時針轉動“ Im調節(jié)”旋鈕，查看變化范圍應為01A。此時Vh值亦隨Im增大而增大，當Im換向時，Vh亦改號（其絕對值隨Im流向不同而異，此乃 副效應所致，可通過“對稱測量法”予以消除），說明“ Im輸出”和“ Im輸入”正常。至此，應將“Im調節(jié)”旋鈕復零。8 .放開測量選擇鍵，再測 Is,調節(jié)Is =2 mA,然后將“ Vh、V?輸出”切換開關倒向 V?一 側，測量V? （A、C電極間電壓），Is換向，V?亦改號，至此，說明霍爾樣品的各個電極均為正 常。將“ Vh、V?輸出”切換開關恢復 Vh 一

32、側。注意：查看 V?時，Is不宜過大，以免數字電壓表超量程，通常取Is為2mA左右。9 .本儀器數碼顯示穩(wěn)定可靠，但若電源線不接地則可能會出現數字跳動現象?！癡h、V?輸入”開路或輸入電壓超量程，則電壓表出現溢出現象。注：有時，Is調節(jié)電位器或Im調節(jié)電位器起點不為零，將出現電流表指示末位不為零，亦屬 正常?；魻栐且环N基于霍爾效應的傳感器，它能夠把許多非電學量，例如力、力 矩、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態(tài)4又生變化的時間轉變成電學量速行檢測和控制，在生產、生活中已得到廣泛的應用。 一、霍爾效應高中課本中（人教版選修 3- 1第103頁“課題研究：霍爾效應”

33、及人教版選修3 1第51頁“傳感器及其工作原理”）已對霍爾效應作了簡單的闡述。如圖，在一個很小的通電矩形半導體薄片上，加和薄片表面垂直的磁場 B,在薄這是愛德文霍爾在 1879年4又現的片的橫向兩側會出現一個電壓 U,如圖1,這種現象就是霍爾效應。這種現象是由于通過半導體中的載流子在洛侖茲力作用下向薄片橫向兩側積聚，形成一個電場（稱霍爾電場），該電場產生的電場力與洛侖茲力方向相反，阻 礙載流子的繼續(xù)堆積，直到霍爾電場力與洛侖茲力相等，從而在薄片兩側形成穩(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。前者是一個簡單的霍爾片，使用時常常需要將獲得的霍爾電壓逆行放

34、大。后者將霍爾元件和它的信號處理電路集成在同一個芯片上?；魻栐捎枚喾N半導體材料制作，如G& Si、InSb、GaAs等。下面是兩種半導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和測磁儀表?；魻柧€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度 B成比例，這類電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場檢測。另一種霍爾集成電路稱為霍爾開關電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸4又器和輸出級組成。它可在 B增加到一定數值（通常叫導通閾值）時，使電路導通，輸出低電平，當B降至某一值時，電路截止，輸出高電平，從

35、而起到開關作用。這種開關電路又分普 通型和鎖定型。其它還有差動霍爾電路、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殊功能的電路。因為霍爾器件需要工作電源，用作運動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運動，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結果中提取被檢信息。用磁場作為被傳感 物體的運動和位置信 息載體時，一般采用永久磁鋼來產生工作磁場，在空氣隙中，磁感應強度會隨距離增加而迅速下降。工作磁體和霍爾器件間的運動方式有：（a）對移；（b）側移；（c）旋轉；（d）遮斷。如圖3所示，圖中的TEAG為有效工作空隙。圖3三、霍爾元器件的簡單應用霍

36、爾器件的應用極為廣泛，下面介紹幾種器件的簡單應用。1. 檢測磁場、鐵磁物質缺口、齒輪轉速使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單。將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測磁 場中。因霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應強度敏感，因而必須令磁感線和器件表面 垂直。通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應強度。若不垂直，則應求出其垂直分量 來計算被測磁場的磁感應強度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以逆行多點檢測，由計算機逆行數據處理，可以得到場的分布狀態(tài)，開可對狹縫、小孔中的磁場逆行檢測。因鐵磁性物質會對永磁體的磁場產生影響，故可利用霍爾元件檢測缺口及轉速。在霍爾線性電路背面偏置一個永磁體， 如圖4所示

37、。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速。圖42. 無損探傷鐵磁材料受到磁場激勵時，因其導磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內部。若材料 均勻，磁力線分布 也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺陷處，磁力線會4又生彎曲，使局部磁場4又生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變,經過數據處理,"""可辨別出缺陷的位 置，性質（孔或裂紋）和大小（如深度、寬度等）?；魻枱o損探傷已在炮膛探傷、 管道探傷， 海用纜繩探傷，船體探傷以及材料檢驗等方面得到廣泛應用。3. 旋轉傳感器按圖5所示的各種方法設置磁體， 將它們和霍爾開關電路組合

38、起來可以構成各種旋轉傳 感器。霍爾電路通電后，磁體每經過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈沖。 a徑向磁極b軸向磁極c遮斷磁極由此，可對轉動物體實施轉數、轉速、角度、角速度等物理量的檢測。在轉軸上固定一 個葉輪和磁體，用 流體（氣體、液體）去推動葉輪轉動，便可構成流速、流量傳感器。在 車輪轉軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關電路，可制成車速表，里程表等等。如圖6是一個由此原理制成的流量計的原理圖。圖6殼體內裝有一個帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關電路， 被測流體從管道一端通入， 推動葉輪帶 動與之相連的磁體轉動，經過霍爾器件時，電路輸出脈沖電壓， 由脈沖的數目，可以得到流體的流速。若知管

39、道的內徑，可由流速和管徑求得流量。4. 霍爾位移傳感器若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾 電壓Vh值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖7是3種產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，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結構（b）在Z較小時，Vh與Z有良好的線性關系，且分辨力可達1科m,結構（C）的靈敏度高，但工作距離較小?；魻栐y量位移的優(yōu)點很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。以微位移檢測為基礎，可以構成壓力、應變、機械振動、加速度、重量等霍爾傳感器。圖7這里簡單介紹幾種基于霍爾位移傳感器的傳感器應用。霍爾加速度傳感器如圖8是霍爾加速度傳感器的結構原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的O點上固定均質彈簧片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的上下方裝上一對永磁體，它們同極性相對安裝。盒體固定在被測對象上，當它們與被測對象一起作垂直向上的加速運動時，慣性塊在慣性力的