物理实验 霍尔效应与应用

1、课程名综合设计与创新物理实验 姓名 学号 文章题目霍尔效应及其应用实验论文姓名 学号电话邮箱创新点自述1. 本文进行了霍尔效应实验，并处理了实验数据。2. 本文还进行了直流电流越限时准确的隔离报警实验并处理了数据。3. 直流电压隔离传送实验，处理实验数据，分析端点处的线性度。4.本文在最后还讲述了在霍尔效应研究领域与应用领域的展望，在应用领域方面的展望包括新的霍尔元件结构、微型化、高灵敏度、高集成度。 霍尔效应及其应用实验论文建环学院 摘 要： 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，测量并绘制试样的VHIS和VHIM曲线。3确定试样的导

2、电类型、载流子浓度以及迁移率。4. 霍尔元件的应用与当前发展状况。关键词： 霍尔效应 测量方法 应用 发展 前景Hall effect and experimental application Name: Student ID: Specialty: College： Architecture and EnvironmentAbstract: 1. To understand hall effect experiment principle and relevant hall element on the material requirements of knowledge. 2. Learn

3、 to use "symmetrical measurement method" to eliminate the effect of vice, measuring and map sample of VH - Po and VH - IM curve. 3. Determine the sample of conductive type, carriers concentration and mobility. 4. Hall element the application and current development situation.2. hall effect

4、 measuring method applied prospects for development第 2 页 共 12 页 概述： 随着半导体物理学的迅速发展，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（高达10GHz）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电

5、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。一霍尔效应原理1879年霍尔在实验中发现：在均匀强磁场B中放入一块板状金属导体，并与磁场B方向垂直如图1，在金属板中沿与磁场B垂直的方向通以电流I的时候，在金属板上下表面之间会出现横向电势差UH 这种现象称为霍尔效应，电势差UH 称为霍尔电势差。进一步的观察实验还指出，霍尔电势差UH 大小与磁感应强度B和电流强度I的大小都成正比，而与金属板的厚度d成反比。即UH =RHIB/d (V)； 式中RH（m3C-1）仅与导体材料有关，

6、称为霍尔系数。当时虽然发现了霍尔效应现象，但在发现电子以前，人们不知道导体中的载流子是什么，不能从电子运动的角度加以解释霍尔效应的物理现象，现在我们按电子学理论对霍尔效应做了如下的解释：金属中的电流就是自由电子的定向流动，运动中的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用。设电子以定向速度 运动，在磁场B中，电子就要受到力f=e 的作用，沿着f所指的方向漂移，从而使导体上表面积累过多的电子，下表面出现电子不足，从而在导体内产生方向向上的电场。当这电场对电子的作用力eEH 正好与磁场作用力f相平衡时，达到稳定状态。霍尔效应被发现后，人们做了大量的工作，逐渐利用这种物理现象制成霍尔元件。霍尔元件一般采用N型

7、锗（Ge）,锑化铟（InSb）和砷化铟（InA）等半导体材料制成。锑化铟元件的霍尔输出电势较大，但受温度的影响也大；锗元件的输出电势小，受温度影响小，线性度较好。因此，采用砷化铟材料做霍尔元件受到普遍的重视。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线

8、性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。二.霍尔效应实验内容及数据处理 1、实验板及实验电路霍尔效应实验板如图所示图霍尔效应实验板实验电

9、路如图所示图霍尔效应实验电路（注：图中，一号表为mV/mA表，工作电流IH和霍尔电压UH均用该表测量，当测量UH时，测量选择开关掷mV端，当测量IH或不用时，测量选择开关掷mA端。二号表不用，未画出。2、实验方法（1）通电检查三个的数字表：将三个表的测量选择开关掷电流端，合电源开关，一号表应显示00.00，二、三号表应显示0.000，然后关闭电源。（2）仪表预置IH和UH的两个换向闸刀合上，IM的换向闸刀断开(刀竖立)；三个数字表（包括不用的二号表）的测量选择开关全掷电流端。励磁电流IM置最小，即左旋“电压调整”电位器到极限位置。（3）按图5接线。共14条线，按图接好。（4）消除失调电压：合电

10、源开关，调整工作电流IH为某一应用值（如2.5mA）后，再掷一号表于电压端，调调零电位器使UH=0。（5）合IM闸刀，调整IM为表1或表2给定值，并改变工作电流IH和励磁电流IM的方向，在四种组合（+IM、+IH，+IM、IN，IH，IM，IM +IH）情形下对UH进行四次测量。（6）无论是按表1做UHIH测量，还是按表2做UHB测量，只要改变了工作电流的大小和方向，就要先消除失调电压（即用双刀闸刀同时切断励磁电流的两个电极，然后调调零电位器使UH=0）后，再合IM闸刀，调整IM为表1或表2的给定值进行测量。（7）按36举例说明的方法完成实验。3、数据处理方法与要求1霍尔电压与工作电流的关系（

11、即UHIH测量）的实验数据处理为表1所示。表1 UHIH测量 IM（A）0.1001H（mA）2.505.007.5010.00（+IM、+IH）U1(mV)（UIMU1(mV)5.5210.9116.1620.98（+IM、-IH）U2(mV)-5.43-10.85-16.05-20.70（-IM、-IH）U3(mV)5.4510.9816.6522.75（-IM、IH）U4(mV)-5.38-10.90-16.51-22.45UH(mV)5.4510.9016.3521.71B(T)0.1146842120.1148157870.1147192990.114302633 2霍尔电压与磁场的

12、关系（即UHB测量）的实验数据处理为表2所示表2 UHB测量IH(mA)4.00 (A)0.0500.1000.1500.200（+IM、+IH）U1(mV)5.4810.9116.2421.64（+IM、-IH）U2(mV)-5.43-10.86-16.18-21.55（-IM、-IH）U3(mV)5.5410.8816.2921.58（-IM、IH）U4(mV)-5.48-10.77-16.26-21.54UH(mV)5.482510.85516.242521.5775B(T)0.0577105330.1142368530.1709473780.227078945 可以看出UH与IH为线性

13、关系 可以看出UH与B为线性关系 二.应用性实验：直流电流越限时准确的隔离报警在隔离监控中，受控物理量（又称监控量）越限隔离报警尤为重要，因为当监控量越限时已经涉及到设备的安全。只有做到当监控量越限时能准确的隔离报警才能保护设备的安全。经实践证明，应用磁比例式原理研制的霍尔开关量传感器能成功的解决了这一难题。本实验通过测量霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警准确性，学习直流电流越限时准确的隔离报警的方法。1.实验原理直流电流越限时准确的隔离报警的原理为磁比例式原理。如图6所示，根据霍尔效应原理霍尔元件输出的电压UH与输入电流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

14、）将报警信号灯点亮。由于此类传感器在报警时输出高电平（开关量），因此常称此类霍尔效应传感器为霍尔开关量传感器。IINAVc报警电路越限设置稳压电源电流表(A)磁芯霍尔元件监控量越限隔离报警实验板图6直流电流越限时准确的隔离报警实验电路2.实验内容1、研究直流电流越限时准确的隔离报警的方法。2、测量霍尔开关量传感器在监控量(电流)越限时隔离报警的准确性（精度）。3.仪器介绍本实验所用仪器为霍尔效应应用技术综合实验仪和监控量越限隔离报警实验板。霍尔效应应用技术综合实验仪在霍尔效应实验中已经介绍，不再重述。监控量越限隔离报警实验板如图7所示，原理框图如图6所示。图7 监控量越限隔离报警实验板4.实验

15、电路及实验方法1、实路电路直流电流越限时准确的隔离报警实验电路如图6所示。2、实验方法：（1）仪表预置测量选择：三只表全掷电流端。稳压电源输出置最小，即左旋“电压调整”电位器到极限位置。（2）按图6接线。（3）校准及测量a、先调“电压调整”使IXIN为表2中某一给定值时，再调越限量设置使报警显示灯刚亮为止，记录此时的电流值IX（A）。b、调“电压调整”减小IIN使灯熄，然后再增加IIN在灯刚亮时读出IIN之值。5.数据处理实验数据处理为表2所示。表2 霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警的准确性测量校准IXIN(A)0.1000.1500.2000.250IX(A)0.1000.1500.

16、2000.250IIN(A)0.1000.1480.1990.250Imax(A)±0.0016.用途应用基于霍尔效应的磁比例式原理研制的霍尔开关量传感器的用途很多，其中之一为适用于直流稳压电源及其用电设备在电流过流时准确的隔离报警，达到保护电源及其用电设备安全的目的。三、应用性实验：直流电压隔离传送实验板。1.实验原理直流电压高精度的隔离传送和检测的原理为磁平衡原理。如图4所示，当原边电压UIN通过R转换为原边电流IIN，IIN通过原边线圈N1所产生的磁通量与霍尔电压经放大而形成的副边电流I0通过副边线圈N2所产生的磁通量平衡时，有IINN1=I0N2，因此副边电流I0将精确的反应

17、出原边电流IIN，IO在W2上的电压降U0将精确地反映出原边电压的电压值UIN。工作电流稳压电源电压表（V）清除失调（W1）W2（调比例）IIN功放UH放大电压表（V）霍尔元件N1N22.仪器介绍本实验所用仪器为霍尔效应应用技术综合实验仪和直流电压隔离传送实验板。霍尔效应应用技术综合实验仪在霍尔效应实验中已有介绍，不再重述。直流电压隔离传送实验板为图5所示，原理框图如图4所示。图5 直流电压隔离传送实验板3.实验电路及实验方法1、实验电路直流电压高精度隔离传送和检测的实验电路如图4所示。2、实验方法（1）通电检查数字表，其方法请见霍尔效应实验的实验方法（1），检查后关闭电源。（2）仪表预置测量

18、选择：二号表、三号表掷电压端，一号表不用掷电流端。稳压源输出电压置最小，即左旋“电压调整”电位器到极限位置。（3）按图4接线，把6条线接好。（4）消除失调电压合电源开关，先调“电压调整”使（量程），再调W2（调比例电位器）使，试运行5分钟后断开带“0线”，调W1（调零电位器）使U0为0.000V。（5）调比例，校量程比例M=U0UIN=UOmaxUINmax在本实验中取M=11，因此校量程即为当UIN= UINmax 时，调整W2（调比例电位器）使UOmax=UINmax。方法：接好带“0”线，调“电压调整”使UIN=UINmax，再调W2使U0= UINmax。（6）断开带“O”线，再次消除

19、失调电压；然后接好带“0”线，再次校量程。（7） 调“电压调整”使UIN读数先从大到小，再从小到大分别为表1中给定的UIN值，从U0测量表上读出与之对应的U0值。4.数据处理实验数据处理为表1所示。表1 霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的精度和线性度测试Uin（v）1.0002.0003.0004.0005.000Uo（v）1.0001.9983.0013.9974.999Uo（v）1.0001.9973.0024.0004.997Umax（v）±0.005Sv+Sv0.952%-Sv1.905% 端点线性度曲线5.霍尔电压传感器的用途应用磁平衡原理研制的霍尔电压传感器适用于基准

20、电压高精度的隔离传送和直流电压高精度的隔离检测。参考文献10三在霍尔效应研究领域与应用领域的展望 1研究领域的展望 自从1879年24岁的研究生霍尔（Edwin H. Hall）在发现霍尔效，随着半导体物理学的迅猛发展，霍尔系数和电导率的测量已经称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。若能测得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等参数。在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)等研究半导体在极低温度和强磁场中发现了量子霍尔效应，

21、它不仅可作为一种新型电阻标准，还可以改进一些基本产量的精确测定，是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之一，克利青为此发现获得1985年诺贝尔物理学奖。其后美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui)和施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应。它的发现使人们对宏观量子现象的认识更深入一步，他们为此发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。日本的物理学家日前发现。理论上來说,光学也有等同于霍尔效应的现象发生。而且此理论应该可以利用偏振光加以实验证明。 2在应用领域方面的展望。 21新的霍尔元件结构。常规霍尔元件要求磁场垂直于霍尔元件，且在整个霍尔元件上是均匀磁场。而在其他情况，需要根

22、据磁场分布情况，设计各种各样相应的非平面霍尔结构。其中，垂直式霍尔器件是一种最近新发展出来的。这种垂直式霍尔片具有低噪声、低失调和高稳定性的特点。目前根据这种原理国际上开展了许多研究项目。 22微型化。瑞士联邦技术研究所最新研制的超小型三维霍尔传感器工作面不到300×300um，只有六个管脚。这种器件特别适合用于空间窄小的检测环境，例如电动机中的间隙、磁力轴承以及其他象永磁体扫描等需接近测量表面的场合。 23高灵敏度。有资料显示，有一种高灵敏度霍尔传感器，它基于霍尔传感器原理，并且集成了磁通集中器。产品的主要创新就在于利用了成熟的微电子集成工艺，制造低成本的磁通集中器。其磁通集中器直接集成在已带有成千霍尔敏感单元的硅片上，再将硅片切割成单个的霍尔探针，最后封装成标准的集成电路芯片。这种集成化的磁通集中器的单元成本只占传感器成本的六分之一，传感器的检测灵敏度却可提高五倍以上。 24 高集成度。国外霍尔传感器的发展方向就是采用CMOS技术的高度集成化，同样功能可以集成在非常小的芯片内，如信号预处理的最主要部分已在霍尔器件上完成，其