霍尔效应及应用实验论文.doc

霍尔效应及应用实验论文学院：物理科学与技术学院 专业：微电子 姓名：石茂林 学号：1042023058摘要: 霍尔效应是霍尔-德国物理学家于1879年在他的导师罗兰的指导下发现的这一效应，这一效应在科学实验和工程技术中得到广泛应用。可以用它测量磁场、半导体中载流子的浓度及判别载流子的极性，还可以利用这一原理作成各种霍尔器件，已广泛地应用到各个领域中。近年来霍尔效应得到了重要发展，冯克利青发现了量子霍尔效应，为此，冯克利青获得1985年度诺贝尔物理学奖。关键词: 霍尔效应 副效应 霍尔电压 直流电压高精度的隔离传送和检测 直流电流高精度的隔离检测 监控量越限时准确的隔离报警引言:利用霍尔效应电压与磁场的线性关系可知，通过测量元件两端的电压，可以得知空间某区域的磁场分布及其此处的磁感应强度。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发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量和信息处理等方面。正文：通过自己多次到实验室去体验并做了这些试验，本试验共有4个实验-霍尔效应 、直流电压高精度的隔离传送和检测、直流电流高精度的隔离检测和监控量越限时准确的隔离报警。现在把实验内容及其结论在下面做详细介绍：一、霍尔效应试验实验目的：认识霍尔效应并懂得其机理；研究霍尔电压与工作电流的关系；研究霍尔电压与磁场的关系；了解霍尔效应的副效应及消除方法。实验原理：霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转元件，如图所示图1.1 霍尔效应磁原理 图1.2 霍尔效应磁电转换在磁场不太强时，电位差与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即(1.1)或 (1.2)式（1.1）中称为霍尔系数，式（1.2）中称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv /(mAT)。如图1.1所示，一快长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁场中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子电子所受到的洛仑兹力为(1.3)。即得 (1.5)此时B端电位高于A端电位。若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流I=nebdV(1.6) 得 (1.7)将(1.6)式代入(1.5)式得 (1.8)式中称为霍尔系数，称为霍尔元件的灵敏度，一般地说，愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压。由（1.8）式可知，如果霍尔元件的灵敏度已知，测得了控制电流I和产生的霍尔电压，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为。霍尔效应实验电路如图所示。实验内容及数据处理: 已知参数b=4.0mm, d=0.5mm, =3.0mm. 设，其中K=6200GS/A；研究霍尔电压与工作电流霍尔电压与磁场的关系的数据及处理：研究U H- I H关系 研究U H- BH 关系 I M(A)0.3000.1000.2000.3000.400I H(mA)2.004.006.008.00 4.00U1(mV)-2.214.33-6.718.65-1.572.89-4.465.55U2(mV)2.23-4.316.72-8.841.58-2.894.45-5.55U3(mV)-2.144.45-6.498.97-1.453.02-4.325.91U4(mV)2.15-4.476.46-8.951.42-3.014.33-5.92U H mV）2.104.216.128.231.512.944.405.88B(Gs)108010801080108036072010801440有基本原理可得：U H-1=(|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4=2.10mAB1=B0/A* I M=3600*0.300=1080Gs 同理可求其它的值并将结果填在表中。按作图法要求作出霍尔电压与工作电流霍尔电压与磁场的关系曲线： 实验分析及结论:本实验采用数字仪表控制,所以相当精确；不过还是存在不等势效应、埃廷斯豪森效应和能斯特效应等副反应影响实验结果。 但是该实验总的来说还是验证了霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流之间成线性的关系这一结论。思考题:若磁场不恰好与霍尔元件的法线一致,对测量结果会有何影响？如何用实验的方法判断B与法线方向是否一致？ 答：若磁场不恰好与霍尔元件的法线一致,则霍尔片通过电流时,载流子的偏转就会偏离法线方向,而使测的电位差不是真的霍尔电位差,从而造成测量的系统误差。朝两个方向偏转霍尔元件的方向，如电位差都减小，说明B与法线方向一致。二、直流电压高精度的隔离传送和检测实验实验目的：研究直流电压高精度的隔离传送和检测的方法；测量霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的传感精度和线性度。实验原理：直流电压高精度隔离传送和检测实验电路如图所示。N2当被传电压UIN通过R的电流IIN在初级线圈N1产生的磁通量与霍尔电压经放大而形成的次级电流I0通过次级线圈N2所产生的磁通量平衡时，有IIN *N1= I0* N2，因此刺激电流I0将精确的反映出触及电流IIN，I0在W2上的电压降U0将精确反映出初级电压的电压值IIN。实验内容及数据处理: 霍尔电压传感器隔离传送直流电压的精度线性度测试Ui/v U0(左)/V U0(右)/V0.2000.1990.1990.5000.4980.4980.8000.8010.8011.1001.1001.1001.4001.4001.4001.8001.8001.800（表1）UIN/V1.0002.0003.0004.0005.000U0/V1.0012.0003.0013.9995.001Umax/V 0.001S+S 0-S 0.11%实验分析及结论: 从实验所得的表和图可见, 传感器由于应用了霍尔电压闭环原理, 所以传感精度很高、线性度很好！思考题:在霍尔电压传感中怎样消除失调电压？答：合电源开关，先调电压调整使UIN5.000V,再调W2使（调比例电位器）使U0= UIN，试运行5 min后断开0线，调W1（调零电位器）使U0为2.000V。三、直流电流高精度的隔离检测实验实验目的：研究直流电流高精度的隔离检测的方法；测量出霍尔电流传感器隔离检测直流电流的精度和线性度。实验原理：直流电流高精度的隔离检测实验电路如图所示。N2N1实验内容及数据处理: 霍尔电流传感器隔离传送直流电流的精度线性度测试Ii/AUx/VUi(左)/VUi(右)/V0.5000.5000.4980.4980.9000.9000.9020.9021.4001.4001.3991.3981.8001.8001.8001.798所以由实验所得数据可得霍尔电流传感器的端点线性度图由表可知Umax=0.002V，即Imax=0.002A，+S=0，-S=0.23%。实验分析及结论: 从实验所得的表和图可见, 传感器由于应用了霍尔电压闭环原理, 所以传感精度很高、线性度很好！思考题:怎样判断霍尔电流传感器隔离传送直流电流的精度？答：根据实验数据画出U-I图后，如果这些点均匀的分布在一条直线的两侧，则说明感精度很高、线性度很好。四、监控量越限时准确的隔离报警实验实验目的：懂得基于霍尔效应的磁比例原理；研究监控量越限时隔离报警的方法；测量霍尔开关量传感器在监视控量（电压或电流）越限时隔离报警的准确性。实验原理：监控量（电流）越限时隔离报警实验电路如图所示。根据霍尔效应原理霍尔元件输出的电压UH与被检测的电流IIN成正比，当UH大于越限设置电压时，“A”即输出高电平（开关量）将报警信号灯点亮。由于直流电流及其他监控越限时均输出高电平（开关量）。IINAVc报警电路越限设置5稳压电源电流表(A)磁芯霍尔元件实验内容及数据处理: 霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警准确性测量数据校准IxIN/A0.100 0.150 0.200 0.250Ix/A 0.100 0.150 0.200 0.250 IxIN/A 0.099 0.152 0.202 0.248 Imax/A 0.002由实验数据显然有 Imax=0.002A实验分析及结论: 由上表可见传感器由于应用了霍尔电压闭环原理，所以霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警准确性非常高！思考题: 霍尔开关量传感器除了对直流电流越限时能准确的隔离报警外，还能对那些监控量越限时能准确报警？答：还适用于直流稳压电源及其设备在电流流过时准确的隔离报警。总结：1） 本实验所采用的直流电压隔离传送、直流电流隔离检测、直流电流越限隔离报警的实用方法是正确的。2）磁平衡原理和磁比例式原理是研制霍尔效应传感器的实用知识。3）以上这 3 个实验正是霍尔效应被广泛用于自动检测、自动控制和信息技术领域中的 3 个典型应用。由此可见, 应用霍尔效应可以检测磁场, 但检测磁场并不是霍尔效应的主要用途. 霍尔效应的主要用途是: 应用该效应可制造出传感精度高、线性度好、温度漂移小、输出与输入之间高度隔离的高品质的传感器。 这些传感器被广泛地用在自动检测、自动控制和信息技术中, 进行直流电压隔离传送、直流电流隔离检测和直流电流或者电压越限隔离报警, 把计算机监控系统与受控系统隔离开来, 确保计算机的安全和可靠运行。因此, 通过上述 3 个应用实验可以开阔学生视野, 激励学生学习兴趣。参考文献：1王植恒 何原 朱俊主编 大学物理实验 高等教育出版社2 袁希光.传感器技术手册 M 北 京: 国防工业出版社.3 周日贵 聂爱球 龚勇清 等 . 霍尔效应实验误差分析 J .物理实验.4曾晓英.亥姆霍兹线圈磁场的均匀分析及误差估算J.物理实验学报5杨锡震，杨道生，田强.异常霍尔效应和自旋霍尔效应J.物理实验Hall effect and application experiment paperBy Shi Mao LinCollege: physical science and technology institute Professional: microelectronics Student id: 1042023058Abstract: Hall effect was discovered by German physics hall in 1879 with his mentor Rolands help. This effect in scientific experiments and engineering technology is widely used. We can use it measuring magnetic field, semiconductor carriers in concentration and discriminant carriers polarity; Still can use this principle to finish all kinds of hall devices; It has been widely used in various fields. And in recent years hall effect got important development; Von qualicoat green discovered quantum hall effect; Therefore, von qualicoat g