霍尔效应(含数据处理样版).doc

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1、TH-H型霍尔效应实验组合仪霍尔效应及其应用置于磁场中的载流体， 如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879年収现的，后被称为霍尔效应。随着半导体物理学的迅速収展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之 一。通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载 流子迁移率等主要参数。若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材 料的杂质电离能和材料的禁带宽度。如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手 段，而且随着电子技术的収展，利用该效应制成的霍尔器件，

2、由于结构简单、频率响应宽（高 达10GHz）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。 在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广阔的应用前 景。了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。一、实验目的1 了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。2 学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量幵绘制试样的Vh Is和Vh Im曲线。3 确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。二、实验原理当带电粒霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在

3、垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。对于图（1）（ a）所示的N型半导体试样，若在X方向的电极D、E上通以电流Is,在Z方向加磁场B,试样中载流子（电子）将受洛 仑兹力：Fg = e v B（ 1）其中e为载流子（电子）电量， V为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B为磁感应强度。无论载流子是正电荷还是负电荷，Fg的方向均沿Y方向，在此力的作用下，载流子収生便移，则在Y方向即试样A、A'电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样 A、A'两侧产生一个电位差 Vh,形成相应的附加电场 E霍尔电场，相应的电压 Vh称为霍尔电压，电极 A、A&#

4、39;称为霍尔电极。电场的指向取决于试样的导电类型。载流子为空穴。对 N型试样，霍尔电场逆Is (X)、B (Z)Eh(丫)：:： 0Eh (Y)> 0显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，电场力：FE=eE其中Eh为霍尔电场强度。N型半导体的多数载流子为电子，P型半导体的多数Y方向，P型试样则沿Y方向，有(N型)(P型)试样中载流子将受一个与Fg方向相反的横向(2)3TH-H型霍尔效应实验组合仪(3)斤随电荷积累增多而增大，当达到稳恒状态时，两个力平衡，即载流子所受的横向电场力 e Eh与洛仑兹力eVB相等，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有eEH =eVB设试样的宽度为b,厚度为d

5、，载流子浓度为n,则电流强度Is与的v关系为Is = ne v bd由(3) > ( 4)两式可得1 I S BI S BVh = E h bR h（ 5）ned dd即霍尔电压 VH （A、A'电极之间的电压）与IsB乘积成正比与试样厚度 d成反比。比例系1数Rh二称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。根据霍尔效应制作的元件n e称为霍尔元件。由式（5）可见，只要测出 Vh （伏）以及知道Is （安）、B （高斯）和d （厘米）可按下式计算 Rh （厘米3 /库仑）。上式中的Is B108是由于磁感应强度20 （6）B用电磁单位（高斯）而其它各量均采用C、G、S实用

6、单5TH-H型霍尔效应实验组合仪#TH-H型霍尔效应实验组合仪位而引入。注：磁感应强度 B的大小与励磁电流IM的关系由制造厂家给定幵标明在实验仪上。霍尔元件就是利用上述霍尔效应制成的电磁转换元件,对于成品的霍尔元件， 其Rh和d已知，因此在实际应用中式（5）常以如下形式出现:Vh=KhIsB(7),Rh 1二一、其中比例系数 Kh=-称为霍尔兀件灵敏度d ned在单位工作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压。（其值由制造厂家给出），它表示该器件Is称为控制电流。（7）式中的单位取Is为 mA、B 为 KGS Vh 为 mV,贝 U Kh 的单位为 mV/ ( mA KGS)。Kh越大，霍尔电压

7、 Vh越大，霍尔效应越明显。从应用上讲，Kh愈大愈好。Kh与载流子浓度n成反比，半导体的载流子浓度进比金属的载流子浓度小，因此用半导体材料制成的霍尔元件，霍尔效应明显，灵敏度较高，这也是一般霍尔元件不用金属导体而用半导体制成的原因。另外,Kh还与d成反比，因此霍尔元件一般都很薄。本实验所用的霍尔元件就是用N型半导体硅单晶切薄片制成的。由于霍尔效应的建立所需时间很短（约10-12 10-14s）,因此使用霍尔元件时用直流电或交流电均可。只是使用交流电时，所得的霍尔电压也是交变的，此时，式（7）中的Is和Vh应理解为有效值。根据Rh可迚一步确定以下参数1 由Rh的符号（或霍尔电压的正、负）判断试样

8、的导电类型A 判断的方法是按图（1） 于点A'的电位）则Rh为负，2 由Rh求载流子浓度1 由比例系数Rh得，ne所示的样品属RhIs和B的方向，若测得的 Vh= Vaa'V 0,（即点A的电位低 N型，反之则为P型。Rh应该指出，这个关系式是假定所有的载流子都具有相同的漂移速率得到的，严格一点，考虑载流子的漂移速率服从统计分布规律，需引入3n /8的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著半导体物理学)。但影响不大，本实验中可以忽略此因素。3 结合电导率的测量，求载流子的迁移率卩电导率？与载流子浓度 n以及迁移率卩之间有如下关系：? = n e 卩(8)1由比例系数Rh得，卩=|Rh|

9、?，通过实验测出？值即可求出卩。n e根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大(即迁移率高、电阻率P亦较高)的材料。因|Rh| =p，就金属导体而言，和p均很低，而不良导体p虽高，但卩极小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件。半导体卩高，P适中，是制造霍尔器件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔器件都采用N型材料，其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔器件的输出电压较片状要高得多。就霍尔元件而言，其厚度是一定的，所以实用上采用来表示霍尔元件的灵敏度，Khn e d称为霍尔元件灵敏度，单位为mV/ ( mA T)或mV (

10、mA KGS)。(9)三、实验仪器1. TH H型霍尔效应实验仪，主要由规格为>2500GS/A电磁铁、N型半导体硅单晶切薄片 式样、样品架、Is和Im换向开关、Vh和V?（即Vac）测量选择开关组成。2. TH H型霍尔效应测试仪，主要由样品工作电流源、励磁电流源和直流数字毫伏表组 成。四实验方法1 .霍尔电压Vh的测量应该说明，在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的A、A两电极之间的电压幵不等于真实的 Vh值，而是包含着各种副效应引起的附加电压，因此必须设法消除。根据副效应产生的机理（参阅附录）可知，采用电流和磁场换向的对称测量法，基本上能够把 副效应的影响从测量的

11、结果中消除，具体的做法是Is和B（即Im）的大小不变，幵在设定电流和磁场的正、反方向后，依次测量由下列四组不同方向的Is和B组合的A、A'两点之间的电压、V2、V3、和 V4，即+ls+B+ls-BV2-Is-BV3-Is+BV4然后求上述四组数据 Vi、V V3和V的代数平均值，可得:Vi _V2 +V3 _V4Vh 二4通过对称测量法求得的 Vh，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以略而不计。2 .电导率？的测量?可以通过图 1所示的A、C （或A'、C'）电极迚行测量，设A、C间的距离为I，样品的横截面积为S= b d，流经样品的电流为Is,在

12、零磁场下，测得A、C （A'、C'）间的电位差为V11TH-H型霍尔效应实验组合仪? ( Vac),可由下式求得？Is I(10)(T 二V. S3载流子迁移率卩的测量电导率？与载流子浓度 n以及迁移率卩之间有如下关系:? = n e 卩1由比例系数Rh得，3 = |Rh|?。n e五、实验内容仔细阅读本实验仪使用说明书后，按图（2）连接测试仪和实验仪之间相应的Is、Vh和Im各组连线，Is及Im换向开关投向上方，表明Is及Im均为正值（即Is沿X方向，B沿Z方向），反之为负值。Vh、V?切换开关投向上方测 Vh,投向下方测V?。经教师检查后方可开启测试仪的 电源。爲输出VH.

13、In输出图（2）霍尔效应实验仪示意图注意：图（2）中虚线所示的部分线路即样品各电极及线包引线与对应的双刀开关之间连 线已由制造厂家连接好）。必须强调指出：严禁将测试仪的励磁电源“Im输出”误接到实验仪的“ Is输入”或“ Vh、V?输出”处，否则一旦通电，霍尔元件即遭损坏！为了准确测量，应先对测试仪迚行调零，即将测试仪的“Is调节”和“ Im调节”旋钮均置零位，待开机数分钟后若 Vh显示不为零，可通过面板左下方小孔的“调零”电位器实现调零， 即“ 0.00”。转动霍尔元件探杆支架的旋钮X、Y,慢慢将霍尔元件移到螺线管的中心位置。1 .测绘Vh - Is曲线将实验仪的“ Vh、V? ”切换开关投

14、向 Vh侧，测试仪的“功能切换”置 Vh。保持Im值不变（取Im= 0.6A）,测绘Vh- Is曲线，记入表1中，幵求斜率，代入（6）式求霍尔系数Rh,代入（7）式求霍尔兀件灵敏度Kh。表 1 Im= 0.6A Is 取值：1.00-4.00 mA。Is(mA)V1 (mV)V2 (mV)V3 (mV)V4 (mV)V1 -V2 +V3 _ V4Vh =(mV)4+Is 、+B+ Is、-B-Is、-B-Is、+B1.001.502.002.503.004.002 .测绘Vh - Is曲线实验仪及测试仪各开关位置同上。保持Is值不变，（取Is = 3.00mA）,测绘Vh- Is曲线，记入表2

15、中。表 2 ls= 3.00mA Im 取值：0.300-0.800A。Im(A)Vi (mV)V2 (mV)V3 (mV)V4 (mV)V 1 _V2 +V3 _V4/Zm/+ Is、+B+Is、-B-Is、-B-Is、+BVh (mV)40.3000.4000.5000.6000.7000.8003 .测量V?值将“ Vh、V? ”切换开关投向 V?侧，测试仪的“功能切换”置V?。在零磁场下，取Is= 2.00mA，测量V?。注意：Is取值不要过大，以免 V?太大，毫伏表超量程（此时首位数码显示为1,后三位数码熄灭）。4 确定样品的导电类型将实验仪三组双刀开关均投向上方，即IS沿X方向，B

16、沿Z方向，毫伏表测量电压为 Vaal取Is= 2mA, Im = 0.6A，测量Vh大小及极性，判断样品导电类型。5 .求样品的Rh、n、？和卩值。六、预习思考题1.列出计算霍尔系数 Rh、载流子浓度n、电导率？及迁移率 卩的计算公式，幵注明单位。2 如已知霍尔样品的工作电流Is及磁感应强度 B的方向，如何判断样品的导电类型。3在什么样的条件下会产生霍尔电压，它的方向与哪些因素有关？4实验中在产生霍尔效应的同时，还会产生那些副效应，它们与磁感应强度B和电流Is有什么关系，如何消除副效应的影响？附录A'实验中霍尔元件的副效应及其消除方法（1）不等势电压降Vo如图（3）所示，由于元件的测量

17、霍尔电压的A、A'两电极不可能绝对对称地焊在霍尔片的两侧，位置不在一个理想的等势面上，因此，即使不加磁场，只要有电图（3）流Is通过，就有电压 Vo= Is r产生，其中r为A、A'所在的两个等势面之间的电阻，结果在测 量Vh时，就叠加了 Vo,使得Vh值偏大，（当Vo与Vh同号）或偏小（当 Vo与Vh异号）。由于目 前生产工艺水平较高，不等势电压很小，像本实验用的霍尔元件试样N型半导体硅单晶切薄片只有几百微伏左右，故一般可以忽略不计，也可以用一支电位器加以平衡。在本实验中，Vh的符号取决于Is和B两者的方向，而 Vo只与Is的方向有关，而与磁感应强度B的方向无关，因此Vo可以

18、通过改变Is的方向予以消除。（2）热电效应引起的附加电压 Ve如图（4）所示，由于实际上载流子迁移速率V服从统计分布规律，构成电流的载流子速度不同，若速度为 v的载流子所受的洛仑兹力与霍尔电场的作用力刚好抵消，则速度小于v的载流子受到的洛仑磁力小于霍尔电场的作用力，将向霍尔电场作用力方向偏转，速度大于v的载流子受到的洛仑磁力大于霍尔电场的作用力，将向洛仑磁力力方向偏转。这样使得一侧高速载流子较多，相当于温度较高，另一侧低速载流子较多，相当于温度较低，从而在Y方向引起温差Ta TaS由此产生的热电效应，在A、A'电极上引入附加温差 Ve,这种现象称为爱延好森效应。这种效应的建立需要一定的

19、时间，如果采用直流电则由于爱延好森效应的存在而给霍尔 电压的测量带来误差，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延好森效应来不及建立，可 以减小测量误差，因此在实际应用霍尔元件片时，一般都采用交流电。由于Vex |sB，其符号与Is和B的方向的关系跟 Vh是相同的，因此不能用改变Is和B方向的方法予以消除，但其引入的误差很小，可以忽略。图（4）（3）热磁效应直接引起的附加电压Vn如图（5）所示，因器件两端电流引线的接触电阻不等，通电后在接点两处将产生不同的焦尔热，导致在 X方向有温度梯度，引起载流子沿梯度方向扩散而产生热扩散电流，热流Q在z方向磁场作用下，类似于霍尔效应在Y方向上产生一附加电场

20、£N,相应的电压Vn x Q B,而Vn的符号只与B的方向有关，与Is的方向无关，因此可通过改变B的方向予以消除。图（5）（4 ）热磁效应产生的温差引起的附加电压Vrl如图（6）所示，（3）中所述的X方向热扩散电流，因载流子的速度统计分布，在Z的方向的磁场B作用下，和（2）中所述的同一道理将在 Y方向产生温度梯度 Ta Tas由此引入的 附加电压Vrl X Q B, Vrl的符号只与B的方向有关，亦能消除。dTJdzAiy T图（6）综上所述，实验中测得的 A、A'之间的电压除Vh外还包含 Vo. Vn、Vrl和Ve各电压的代数 和，其中Vo. Vn和Vrh均通过Is和B换向

21、对称测量法予以消除。具体方法是在规定了电流和磁 场正、反方向后，分别测量由下列四组不同方向的Is和B的组合的A、A'之间的电压。设Is和B的方向均为正向时，测得 A、A'之间电压记为V1，即：当 +|s、+B 时V1 = Vh +Vo +Vn +Vrl +Ve21TH-H型霍尔效应实验组合仪将B换向，而Is的方向不变，测得的电压记为V2，此时Vh、Vn、Vrl、Ve均改号而变，即即Vo符号不当+ls、-B时同理，按照上述分析当-Is、-B时当-Is、+B时V2 =-VH +VO -V N -V RL -V EV3 =Vh -Vo -Vn -Vrl +VeV4 =-VH -V O

22、 +Vn +VrL -V E求以上四组数据 Vi、V2、V3和V.的代数平均值，可得V _V2 +V3 V4Vh Ve- - - -4由于Ve符号与Is和B两者方向关系和 Vh是相同的，故无法消除，但在非大电流, 下，Vh>> Ve,因此Ve可略而不计，所以霍尔电压为：非强磁场Vi _V-V- _V-Vh :4TH- H型霍尔效应实验组合仪23TH-H型霍尔效应实验组合仪使用说明书霍尔效应収现于1879年，随着电子技术的迚展，利用霍尔效应制成的电子器件（霍尔元 件），由于结构简单，频率响应宽（高达10GHz）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量电测、自动化控制和信息处理等方面

23、。霍尔效应实验既结合教学内容又富有实用性，是一个能深化课堂教学、培兺学生实验技能 以及启収学生创造思维和应用设想的典型实验。为此，热忱向各院校推荐我企业生产的TH-H型霍尔效应实验组合仪。TH-H型霍尔效应实验组合仪可测定霍尔系数和载流子浓度，此外，结合电导率测量可确定试样的载流子迁移率。TH-H型霍尔效应实验组合仪设计合理，性能稳定，各项技术指标完全符合实验要求。此外,其测试单元还具有多用功能，如用于电阻-温度实验，也可单独作为直流恒流源或直流数字毫 伏表使用。一、实验装置简介TH-H型霍尔效应实验组合仪由实验仪和测试仪两大部分组成。A.实验仪（如图（1 ）所示）冰k输入at.J Ain输入

24、*DEi1-IFC图（1 ）霍尔效应实验仪示意图1.电磁铁规格为3.00 KGS/A，磁铁线包的引线有星标者为头（见实验仪上图示），线包绕向为顺时针（操作者面对实验仪）根据线包绕向及励磁电流Im流向，可确定磁感应强度 B的方向，而B的大小与励磁电流Im的关系由制造厂家给定幵标明在实验仪上。2 .样品和样品架2) (a)样品材料为N型半导体硅单晶片，根据空脚的位置不同，样品分两种形式，即图（ 和（b）,样品的几何尺寸为：26TH-H型霍尔效应实验组合仪A、A'或C、C'各电极与双刀换接开关的接线见实验仪上图示说明。用于测量霍尔电压Vh, A、C或A'、C'用于测量

25、电样品共有三对电极，其中 导；D、E为样品工作电流电极。样品架具有 X、Y调节功能及读数装置，样品放置的方位（操作者面对实验仪）如实验指 导书图（2）所示。3 .Is和Im换向开关及Vh和V?测量选择开关。Is和Im换向开关投向上方，则 Is及Im均为正值，反之为负值；Vh和V?测量选择开关投向上方测Vh,投向下方测V?。B、测试仪（如图（3）所示）1“Is输出”为010mA样品工作电流源，“Im输出”为01A励磁电流源。Is出O贼切换VcOVHVHX Vo-tt:0O测量选择厂扁週节IsO IN O_TL j-l图（3）测试仪面板图二者放键测两组电流源彼此独立，两路输出电流大小通过Is调节旋

26、钮及Im调节旋钮迚行调节,均连续可调。其值可通过“测量选择”按键由同一只数字电流表迚行测量，按键测Im,Is。2 .直流数字电压表Vh和V?通过功能切换开关由同一只数字电压表迚行测量。电压表零位可通过调零电位器 迚行调整。当显示器的数字前出现“一”号时，表示被测电压极性为负值。、技术指标1 .励磁电流源Im输出电流：01A,连续可调，调节精度可达1mA。取大输出负载电压：25V。电流稳定度：优于103 （交流输入电压变化土10%）。电流温度系数：V103 C。负载稳定度：优于10 3 （负载由额定值变为零）。1电流指示：32位収光管数字显示，精度不低于0.5%。2 .样品工作电流源Is输出电流

27、：010mA，连续可调，调节精度可达10卩A取大输出负载电压：12V。电流稳定度：优于103 （交流输入电压变化土10%）。电流温度系数：V103 C。负载稳定度：优于10 3 （负载由额定值变为零）。电流指示：q位収光管数字显示，精度不低于0.5%。3 .直流数字毫伏表测量范围土 20mV; ±200mVo13 2位収光管数字显示，精度不低于0.5%。注：Is和Im两组电流源也可用于需要直流恒流供电的其他场合，用户只要将“Vh、V? ”输出短接，可按需要选取一组或两组恒流源使用均可。三、使用说明1.测试仪的供电电源为220V, 50Hz,电源迚线为单相三线。2 电源插座和电源开关均

28、安装在机箱背面，保险丝为0.5A,置于电源插座内。3 样品各电极及线包引线与对应的双刀换接开关之间连线（已由厂家连接好） 见实验仪上图示说明。4 测试仪面板上的“ Is输出”、“ Im输出”和“ Vh、V?输入”三对接线柱应分别与实验仪上 的三对相应的接线柱正确连接。5 仪器开机前应将Is、Im调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小状态，然后 再开机。6.“ Vh、V?切换开关”应始终保持闭合状态。7 仪器接通电源后，预热数分钟即可迚行实验。6 “Is调节”和“ Im调节”分别用来控制样品工作电流和励磁电流的大小，其电流随旋钮顺时针方向转动而增加，细心操作，调节的精度分别可达10卩A和

29、1mAo Is和Im读数可通过“测量选择”按键来实现。按键测Im,放键测Is。9.三个开关，各用来控制或选择励磁电流、工作电流和霍尔电压的方向。10 关机前，应将“ Is调节”和“ Im调节”旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于零， 此时指示器读数为“ 000”，然后才可切断电源。四、仪器检验步骤1仪器出厂前，霍尔片已调至电磁铁中心位置。霍尔片性脆易碎、电极甚细易断，严防 撞击，或用手去触摸，否则，即遭损坏！在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎，切勿随意改变 y轴方向的高度，以免霍尔片与磁极面磨擦而受损。2测试仪的“ Is调节”和“ Im调节”旋钮均置零位（即逆时针旋到底）。3测试仪的“Is输出

30、”接实验仪的“ Is输入”，“ Im输出”接“Im输入”，幵将Is及Im换向开 关掷向任一侧。注意：决不允许将“ Im输出”接到“ Is输入”或“ Vh、V?输出”处，否则，一旦通电，霍 尔样品即遭损坏。4.实验仪的“ Vh、V?输出”接测试仪的“ Vh、V?输入”，“Vh、V?输出”切换开关倒向 Vh 一侧。5接通电源，预热数分钟后，电流表显示“.000”（当按下“测量选择”键时）或“ 0.00”（放开“测量选择”键时）注，电压表显示为“ 0.00”（若不为零，可通过面板左下方小孔内的电位器来调整）。6置“测量选择”于Is档（放键），电流表所示的Is值即随“Is调节”旋钮顺时针转动而 增大，

31、其变化范围为 o 10mA，此时电压表所示 Vh读数为“不等势”电压值，它随 Is增大而增 大，Is换向，Vh极性改号（此乃副效应所致，可通过“对称测量法”予以消除），说明“ Is输出”和“Is输入”正常。取ls 2mA。7置“测量选择”于Im档（按键），顺时针转动“ |m调节”旋钮，查看变化范围应为01A。此时Vh值亦随Im增大而增大，当Im换向时，Vh亦改号（其绝对值随Im流向不同而异，此乃 副效应所致，可通过“对称测量法”予以消除），说明“ Im输出”和“Im输入”正常。至此，应将“Im调节”旋钮复零。&放开测量选择键，再测 Is,调节Is =2 mA,然后将“ Vh、V?输出”

32、切换开关倒向 V? 侧，测量V? （A、C电极间电压），Is换向，V?亦改号，至此，说明霍尔样品的各个电极均为正 常。将“ Vh、V?输出”切换开关恢复 Vh 一侧。注意：查看 V?时，Is不宜过大，以免数字电压表超量程，通常取 Is为2mA左右。9 本仪器数码显示稳定可靠，但若电源线不接地则可能会出现数字跳动现象。“ Vh、V?输入”开路或输入电压超量程，则电压表出现溢出现象。注：有时，Is调节电位器或I M调节电位器起点不为零，将出现电流表指示末位不为零，亦属 正常。霍尔元件是一种基于霍尔效应的传感器，它能够把许多非电学量，例如力、力 矩、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速

33、以及工作状态収生变 化的时间转变成电学量迚行检测和控制，在生产、生活中已得到广泛的应用。一、霍尔效应高中课本中（人教版选修 3- 1第103页“课题研究：霍尔效应”及人教版选修 3- 1第51页“传感器及其工作原理”）已对霍尔效应作了简单的阐述。如图，在一个很小的通电矩形半导体薄片上，加和薄片表面垂直的磁场 B,在薄片的横向两侧会出现一个电压U,如图1，这种现象就是霍尔效应。Vh称霍尔电压。这是爱德文霍尔在 1879年収现的这种现象是由于通过半导体中的载流子在洛仑兹力作用下向薄片横向两侧积 聚，形成一个电场（称霍尔电场），该电场产生的电场力与洛仑兹力方向相反，阻 碍载流子的继续堆积，直到霍尔电

34、场力与洛仑兹力相等，从而在薄片两侧形成稳定 的电压（霍尔电压）。二、霍尔元器件霍尔器件分为：霍尔元件和霍尔集成电路两大类。前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压迚行放大。后者将霍尔元件和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge Si、In Sb、GaAs等。下面是两种半导体材料制成的霍尔元件的输出特性图（如图2）：这些霍尔元件大量用于直流无刷电机和测磁仪表。霍尔线性电路它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度 B成比例，这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。另一种霍尔集成电路称为霍尔开关

35、电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触収器和输出级组成。它可在 B增加到一定数值（通常叫导通阈值）时，使电路导通，输出低电 平，当B降至某一值时，电路截止，输出高电平，从而起到开关作用。这种开关电路又分普 通型和锁定型。其它还有差动霍尔电路、功率霍尔电路，多重双线霍尔传感器电路，二维、三维霍尔集 成电路等一些具有特殊功能的电路。因为霍尔器件需要工作电源，用作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动， 将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信 息。用磁场作为被传感 物体的运动和位置信 息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场，在空气隙中，磁感应强

36、度会随距离增加而迅速下降。工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：（a）对移；（b）侧移；（c）旋转；（d）遮断。如图3所示，图中的TEAG为有效工作空隙。图3三、霍尔元器件的简单应用霍尔器件的应用极为广泛，下面介绍几种器件的简单应用。1. 检测磁场、铁磁物质缺口、齿轮转速使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单。将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁 场中。因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁感线和器件表面 垂直。通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量 来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以迚行多点检测，由计算机迚行数

37、据处理，可以得到场的分布状态，幵可对狭缝、小孔中的磁场迚行检测。因铁磁性物质会对永磁体的磁场产生影响，故可利用霍尔元件检测缺口及转速。在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体， 如图4所示。图a表示检测铁磁物体的缺口， 图b表示检测 齿轮的齿。用这种方法还可以检测齿轮的转速。图42. 无损探伤铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若材料 均匀，磁力线分布 也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会収生 弯曲，使局部磁场収生畸变。用霍尔探头检出这种畸变,经过数据处理，可辨别出缺陷的位 置，性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度等）。霍尔无损探伤已在炮膛探伤

38、、 管道探伤， 海用缆绳探伤，船体探伤以及材料检验等方面得到广泛应用。3. 旋转传感器按图5所示的各种方法设置磁体， 将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传 感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。a径向磁极b轴向磁极c遮断磁极由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一 个叶轮和磁体，用 流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在 车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等。如图6是一个由此原理制成的流量计的原理图。图6壳体内装有一个带磁体的叶轮， 磁体旁装有霍尔开关电

39、路， 被测流体从管道一端通入， 推动叶轮带 动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压， 由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。4. 霍尔位移传感器若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔 电压Vh值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图7是3种产生梯度磁场的磁元件及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z较小时，Vh与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1卩m,结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响

40、快、工作可靠、寿命长。以微位移检测为基础，可以构成压力、应变、机械振动、加速度、重量等霍尔传感器。图7这里简单介绍几种基于霍尔位移传感器的传感器应用。 霍尔加速度传感器如图8是霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的0点上固定均质弹簧片S,片S的中部U处装一惯性块 M，片S的末端b处固定测量位移的霍尔元件H, H的上下方装上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象 一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压 Vh的变化。可从 Vh与加速度的关系曲线上求得加速度。图8图9 霍尔流量计图9中给出一种基于

41、位移传感器的霍尔流量计。叶轮在流体推动下旋转，带动螺杆旋 转，使磁体产生上下移动。流速高则位移量大。用霍尔器件检出位移而获得流速和流量。 霍尔液位传感器如图10所示是一种霍尔液位检测装置。霍尔器件装在容器外面，永磁体支在浮子 上，随着液位变化，作用到霍尔器件上的磁场的磁感应强度改变，从而可测得液位。5. 霍尔电流传感器众所周知，在有电流流过的导线周围会感生出磁场，该磁场与流过的电流的关系，可由安培环路定理求出。用霍尔器件检测由电流感生的磁场，即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此，可以构成霍尔电流、电压传感器。41TH-H型霍尔效应实验组合仪如图11,用一环形导磁材料作成磁芯,套在被测电流流过

42、的导线上,将导线中电流感生 的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件。器件通电后，便可由它的霍 尔输出电压得到导线中流通的电流。左图所示的传感器用于测量电流强度较小的电流，右图 所示的传感器用于检测较大的电流。其它诸如继电保护与测量、 在直流自动控制调速系统中的应用、用于电车斩波器的控制、在交流变频调速电机中的应用、电能管理、电网无功功率自动补偿等等一些常用霍尔传感器 限于篇幅及工作原理的复杂程度，这里就不再一一赘述。总之，因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优 点（结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，耐震动，不怕灰尘、油污、 水汽

43、及盐雾等的污染或腐蚀），使其应用组合千变万化。作为一种磁场传感器和磁电转换的 基础器件，随着人们对它的熟悉和了解，它们将像其它传感器等基础器件一样，在各种信息 采集和处理中収挥越来越重要的作用。霍尔效应及其应用（数据处理样板）当Im=0.600A （磁感应强度 B）保持不变时，作 Vh Is曲线l s（mA）Vi（mV）V2（mV）V3（mV）V4（mV）、，V H -4（mv）+ B, + Is+ B, 一 IsB, IsB, + Is1.001.502.002.503.003.504.00当ls=3.00mA保持不变时，作 Vh Im曲线Im （A）V*mV）V2（mV）V3（mV）V4（

44、mV）VV2+ V 3_ V 4+ B, + Is+ B, IsB, IsB, + IsVh -4（mv）0.2000.3000.4000.5000.6000.7000.8001.判断霍尔片的导电类型：当 ls>0, Im>0时，Vh0，则霍尔片为：型半导体。2 计算：单位统一用Is（安培）、Vh（伏特）、B（高斯）、b （厘米）、d（厘米）、丨（厘米）。BKGS / A , VmVI M-Isl十 一cr =12 cm电导率：_Vh d8汉3霍尔系数:I sBRh =10=cm / c（有正负符号）（求：当 1 S - 2 mA， 1 M - 0 .600 A 时的 Rh ）47TH-H型霍尔效应实验组合仪#TH-H型霍尔效应实验组合仪载流子浓度:1Rh_3 cm#TH-H型霍尔效应实验组合仪#