【传感器原理及应用-报告】 实验十二 霍尔传感器特性研究及其应用

1、实验十二 霍尔传感器特性研究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。这个现象是霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。霍尔效应不仅是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔传感器已被广泛应用于非电量电测、自动控制和信息处理。【实验目的】了解霍尔效应原理及以及研究霍尔传感器的特性。学习用“对称测量法”消除霍尔传感器副效应的影响。学会测定霍尔传感器的导电类型，会计算载流子浓度和迁移率。【实验原理】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。当带电粒子（电子或空穴）被束缚在固体材料中，这种偏转

2、就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的积累。从而形成附加的横向电场。对于图12-1所示的霍尔传感器，若在x方向通以电流，在Z方向加磁感应强度为B的磁场，则在Y方向即A、A/两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向决定于材料的导电类型。显然，该电场阻止载流子继续向侧面移动，当载流子所受的横向电场力eEH和洛仑兹力evB相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有e EH =e = e v B (12-1)其中EH称为霍尔电场，v是载流子在 电流方向上的平均漂移速度。 设霍尔传感器的宽度为b，厚度为d，载流子浓度为n，则I = n e v b d (12-2)由（12-1）.（1

3、2-2）两式可得 （12-3）z y IS x A A + + + + + + + + + i -e +e iIS b EH I FB EH FB d _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + C L A C A图12-1. 霍尔效应原理图即霍尔电压（点A与A/之间的电压）与I、B的乘积成正比，与样品厚度d成反比。比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，其大小是由材料本身的性质决定的。只要测出(V),以及知道、和d（m）可按下式计算。 （12-4）根据可进一步确定以下参数：1. 由的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判断的方法是按图12-1所示的I

4、和B的方向，若测得的0 (即点A的电位低于点A/的电位)则RH为负，样品属N型，反之则为P型。2. 由RH求载流子浓度n (1/m3) （12-3）式中n =是假定所有载流子都具有相同的漂移速度而得到的，考虑载流子的速度统计分布，需引入3的修正因子。即n = （12-5）3. 求电导率(1/.m) 电导率可以通过图12-1所示的A、C电极进行测量，设A、C电极间的距离为L，样品的横截面积为S=b.d, 流经样品的电流为I，在零磁场下，若测得A、C之间的电位差，可由下式求电导率 = （12-6）4.求载流子的迁移率(m2/C)载流子的迁移率与电导率及载流子浓度n之间有如下关系= （12-7）根据

5、上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即载流子迁移率高，电阻率高）的材料。就金属导体而言，迁移率及电阻率均较小，而不良导体电阻率虽高，但迁移率极小，不能用来制造霍尔器件。半导体载流子迁移率高，电阻率适中，是制造霍尔元件较理想的材料。由于电子的迁移率比空穴大，所以霍尔元件多采用N型半导体材料。又由于霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，所以霍尔元件一般较薄。就某一霍尔原件而言，其厚度是一定的，实用中引入KH表示霍尔器件的灵敏度，KH=1/ned=RH/d ,单位可取V/(A.T)。实验中由于样品的材料与电极的材料不同，电极与样品间不是理想的欧姆接触，载流子运动是按一定的统计分布等原因

6、，所以在测量中会有热电效应、温差效应和由此产生的其它副效应。（一）热电效应：当电流流过样品时，由于样品两端的电极和样品的接触电阻不同，因而在样品的两端将产生不同的焦耳热，使样品两端温度不同，因而有热流Q流过样品，Q与电流的方向无关。（二）温差效应：由于样品两端的电极与样品接触的温度不同，就会在样品的两侧A、A/(如图12-1所示)有电位差产生（另外两电极由温差所产生的电位差与霍尔电压无关）。这一电位差和温度成正比。（三）其它副效应：厄挺好森效应（Etting Shausen Effect）由于载流子速度的统计分布性，高于或低于平均速度的载流子将在洛仑兹力和霍尔电场力的作用下，沿y轴向相反的两侧

7、不断偏转，向两侧偏转的载流子的动能转化为热能，使两侧温度不同，造成样品y方向上的温差，这个温差在y方向上产生温差电动势VE，且VE I BVE与IB成正比，其符号与电流和磁场的方向有关，在测量VH时，就会有VE迭加上去。能斯托效应（Nernst Effect）由于两个电流电极与样品接触电阻不同，样品电流在两极将产生不同的焦耳热，引起两极间的温差电动势。此电动势又产生温差电流，称为热电流Q，热电流在磁场的作用下，也发生偏转，结果在Y方向上产生附加的电位差VN, 且VN Q B 因热电流与样品电流无关，所以VN只与磁场B有关。里纪勒杜可效应（Righi Leduo Effect）上述热电流除了产生

8、电位差VN外，在y方向上还引起样品两侧的温差，这个温差又在y方向上产生温差电动势VR, 且VR Q B VR只与磁场B有关，而与样品电流无关。不等位电位差VO制作样品时，很难将电极A、A/焊接在同一等位面上，这样当样品有电流流过时，即使不加电场，也会在电极A、A/之间产生一个电位差V0, 且V0 = I RR为所在等位面A、A/之间的电阻。这一电位差称为不等位面电位差，只与样品电流有关，而与磁场无关。以上讨论是假定样品周围的温度是均匀的，如果样品周围的温度不均匀，还会附加新的效应。通过以上的讨论可以看出，四个副效应都迭加在霍尔电压上，使霍尔电压很难测准。有时副效应产生的电位差甚至大于霍尔电压。

9、VN、VR、V0都与电流和磁场的方向有关，我们可以通过改变电流和磁场的方向把VN、VR、V0从计算结果中消去。但VE随磁场和电流的方向改变而改变，故不能用此方法消除VE，但由于引起的误差非常小（1%），可以不考虑。实验时，通过改变电流和磁场的方向，可测的下列四组数据：当（+B,+I）时，测得的电位差用V+ +表示： V+=VHVEVNVRV0 当（+B,-I）时，测得的电位差用V+ -表示： V+-=VHVEVNVRV当（-B,-I）时，测得的电位差用V- -表示： V-=VHVEVNVRV当（-B,+I）时，测得的电位差用V- +表示： V-+=VHVEVNVRV采用如下办法测得 （V+ +

10、V+ -V- -V- +）/4=VEVH由于VHVE,所以 VH = (V+ + V+ -V- -V- +)/4 (12-8)实验时，测出V+ + 、V+ -、V- -、V- +的值，代入上式，即可求出霍尔电压。【实验仪器和装置】实验系统由实验台和测试仪两部分组成实验台包括：1. 电磁铁：规格为0.3T/A,绕向为顺时针（操作者面对实验台），根据励磁电流的大小和方向可确定磁感应强度的数值和方向。2. 样品和样品架：样品材料为半导体硅，厚度d = 3.410-4 m, 宽度b = 4.010-3 m, A、C电极之间的距离L = 4.010-3m.3. 励磁电流IM和样品工作电流IS的换向开关，

11、测量选择VH和V(即VAC)的开关。测试仪包括：1. 0.8A励磁电源，010mA的样品工作电源，两组电源均连续可调，用同一数字表测量，按键测IM ，放键测IS 。2. 020mV数字电压表，用来测量VH和V。【实验内容】1. 取IM=0.500A保持不变，取IS分别为1.00、2.00、6.00mA，以VH20mV为准，并分别改变IM和IS的方向测得四组数据记入表12-1，用（12-8）式求出各，作IS曲线，求出斜率代入（12-4）式计算RH,注意该式中B与IM有关，B等于电磁铁规格乘以IM【数据处理】表12-1 VHIS变化关系 IM= 0.5A; 电磁铁规格0.31T/A; B= 0.1

12、55TIs/mAV+/mvV+-/mvV-/mvV-+/mvVh/mv1.00-2.332.52-2.572.34-2.4252.00-4.495.05-5.044.50-4.863.00-7.237.77-7.767.25-7.3054.00-9.3910.10-9.6910.00-9.4755.00-117512.62-12.6111.76-12.1856.00-12.0813.13-13.1412.08-12.6由图像可得曲线斜率为P1 -1.75 V/A霍尔系数RHP1 -0.00391 m3/C2. 取IS=5.00mA保持不变，取IM分别为0.100、0.2000.600A,以VH

13、20mV为准，并分别改变IM和IS的方向测得四组数据记入表12-2，同表12-1处理数据，作VHB曲线，求出斜率代入（12-4）式求出RH。分析两曲线特性。表12-2 VHB变化关系 IS= 5 mA Im/AB/TV+/mvV+-/mvV-/mvV-+/mvVh/mv0.1000.031-2.032.87-2.882.02-2.450.2000.062-3.214.09-4.083.23-4.850.3000.093-5.055.92-5.915.06-7.40.4000.124-6.887.76-7.756.90-9.7450.5000.155-8.719.58-9.578.72-12.1

14、50.6000.186-10.5611.42-11.4110.58-13. 75由图像可得曲线斜率为P2 -64.52mV/T霍尔系数RHP2 -0.00402 m3/C3. 在零磁场下，取IS0.10mA（必须小于0.15mA，以免VH过大，毫伏表超量程），测量(即)。 -12.03 mV4. (设计内容)利用霍尔传感器的横、纵移动标尺，设计一个确定霍尔传感器在最大磁场强度位置的方法，测出霍尔传感器在最大磁场位置的横、纵移动标尺具体数值。得磁场在横轴坐标为43.4mm40.00mm处最大。保持横轴坐标为43.4mm-40.00mm中的一点，测得磁场在纵轴坐标为19.4mm处值最大，因此，最大磁场位置的横坐标为43.4mm-40.00mm，纵坐标为19.4mm。【注意事项】IS和IM开关倒向上方为正，反止为负。测霍尔电压VH时， 中间开关一定要倒向上方测VH。测A、C之间的电位差V时，中间开关才可倒向下方，（电流一定取0.1mA，零磁场即断开IM开关）但测完后一定要把该开关再倒向上方，发生误操作就会烧坏霍尔传感器。计算各数据时要统一使用讲义中规定的单位，并注意单位的换算和表达。由于励磁电流较大，线圈易发热，测完后要立即把励磁电流调到零。【思考题】如何用霍尔传感器制作磁场强度测量仪，写出制作方法和在测量中应注意什么事项。 答：由于霍尔电压