霍爾效應(yīng)含數(shù)據(jù)處理樣版

1、霍爾效應(yīng)及其應(yīng)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(chǎn)生一附加的橫向電場，這個現(xiàn)象是霍普斯金大學(xué)研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應(yīng)。隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的測量已成為研究半導(dǎo)體材料的主要方法之一。通過實(shí)驗(yàn)測量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率可以判斷材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。若能測量霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系，還可以求出半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)電離能和材料的禁帶寬度。如今，霍爾效應(yīng)不但是測定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用該效應(yīng)制成的霍爾器件，由于結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬（高達(dá)10GH

2、z）、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎn)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(yīng)用前景。了解這一富有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)，對日后的工作將有益處。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理以及有關(guān)霍爾元件對材料要求的知識。 2學(xué)習(xí)用“對稱測量法”消除副效應(yīng)的影響，測量并繪制試樣的VHIS和VHIM曲線。 3確定試樣的導(dǎo)電類型、載流子濃度以及遷移率。二、實(shí)驗(yàn)原理霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成

3、附加的橫向電場，即霍爾電場。對于圖（1）（a）所示的N型半導(dǎo)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： （1） 其中e為載流子（電子）電量， 為載流子在電流方向上的平均定向漂移速率，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。（a） （b）圖(1) 樣品示意圖無論載流子是正電荷還是負(fù)電荷，F(xiàn)g的方向均沿Y方向，在此力的作用下，載流子發(fā)生便移，則在Y方向即試樣A、A´電極兩側(cè)就開始聚積異號電荷而在試樣A、A´兩側(cè)產(chǎn)生一個電位差VH，形成相應(yīng)的附加電場E霍爾電場，相應(yīng)的電壓VH稱為霍爾電壓，電極A、A´稱為霍爾電極。電場的指向取決于試樣的導(dǎo)

4、電類型。N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為電子，P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為空穴。對N型試樣，霍爾電場逆Y方向，P型試樣則沿Y方向，有 顯然，該電場是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，試樣中載流子將受一個與Fg方向相反的橫向電場力： FE=eEH （2）其中EH為霍爾電場強(qiáng)度。FE隨電荷積累增多而增大，當(dāng)達(dá)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 相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡，故有（3）設(shè)試樣的寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，則電流強(qiáng)度Is與的 關(guān)系為 （4）由（3）、（4）兩式可得 （5） 即霍爾電壓VH（A、A´電極之間的電壓）與IsB乘積成正比與試樣厚度d成反比

5、。比例系數(shù) 稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的元件稱為霍爾元件。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）。 （6） 上式中的108 是由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B用電磁單位（高斯）而其它各量均采用C、G、S實(shí)用單位而引入。注：磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小與勵磁電流IM的關(guān)系由制造廠家給定并標(biāo)明在實(shí)驗(yàn)儀上?；魻栐褪抢蒙鲜龌魻栃?yīng)制成的電磁轉(zhuǎn)換元件，對于成品的霍爾元件，其RH和d已知，因此在實(shí)際應(yīng)用中式（5）常以如下形式出現(xiàn)：VH=KHIsB （7）其中比例系數(shù) KH= 稱為霍爾元件靈敏度（其值由制造廠家給出），它

6、表示該器件在單位工作電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下輸出的霍爾電壓。Is稱為控制電流。（7）式中的單位取Is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(yīng)越明顯。從應(yīng)用上講，KH愈大愈好。KH與載流子濃度n成反比，半導(dǎo)體的載流子濃度遠(yuǎn)比金屬的載流子濃度小，因此用半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件，霍爾效應(yīng)明顯，靈敏度較高，這也是一般霍爾元件不用金屬導(dǎo)體而用半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)所用的霍爾元件就是用N型半導(dǎo)體硅單晶切薄片制成的。由于霍爾效應(yīng)的建立所需時間很短（約10-1210-14s），因此使用霍

7、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(yīng)理解為有效值。 根據(jù)RH可進(jìn)一步確定以下參數(shù) 1由RH 的符號（或霍爾電壓的正、負(fù)）判斷試樣的導(dǎo)電類型判斷的方法是按圖（1）所示的Is和B的方向，若測得的VHVAA0，（即點(diǎn)A的電位低于點(diǎn)A´的電位）則RH 為負(fù)，樣品屬N型，反之則為P型。2由RH求載流子濃度n由比例系數(shù) 得， 。應(yīng)該指出，這個關(guān)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(yán)格一點(diǎn)，考慮載流子的漂移速率服從統(tǒng)計分布規(guī)律，需引入3/8 的修正因子（可參閱黃昆、謝希德著半導(dǎo)體物理學(xué)）。但影響不大，本實(shí)驗(yàn)中可以忽略

8、此因素。 3結(jié)合電導(dǎo)率的測量，求載流子的遷移率 電導(dǎo)率與載流子濃度n以及遷移率之間有如下關(guān)系： n e （8）由比例系數(shù) 得，|RH|，通過實(shí)驗(yàn)測出值即可求出。 根據(jù)上述可知，要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是要選擇霍爾系數(shù)大（即遷移率高、電阻率亦較高）的材料。因|RH|，就金屬導(dǎo)體而言，和均很低，而不良導(dǎo)體雖高，但極小，因而上述兩種材料的霍爾系數(shù)都很小，不能用來制造霍爾器件。半導(dǎo)體高，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(shí)

9、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）。 （9）三、實(shí)驗(yàn)儀器1THH型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，主要由規(guī)格為>2500GS/A電磁鐵、N型半導(dǎo)體硅單晶切薄片式樣、樣品架、IS和IM換向開關(guān)、VH和V（即VAC）測量選擇開關(guān)組成。2THH型霍爾效應(yīng)測試儀，主要由樣品工作電流源、勵磁電流源和直流數(shù)字毫伏表組成。四實(shí)驗(yàn)方法 1霍爾電壓VH的測量 應(yīng)該說明，在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時，因伴隨著多種副效應(yīng)，以致實(shí)驗(yàn)測得的A、A兩電極之間的電壓并不等于真實(shí)的VH值，而是包含著各種副效應(yīng)引起的附加電壓，因此必須設(shè)法消除。根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理（參閱附錄）

10、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(yīng)的影響從測量的結(jié)果中消除，具體的做法是Is和B(即lM)的大小不變，并在設(shè)定電流和磁場的正、反方向后，依次測量由下列四組不同方向的Is和B組合的A、A兩點(diǎn)之間的電壓V1、V2、V3、和V4 ，即 +Is +B V1 +Is -B V2 -Is -B V3 -Is +B V4然后求上述四組數(shù)據(jù)V1、V2、V3和V4 的代數(shù)平均值，可得： 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(yīng)，但其引入的誤差甚小，可以略而不計。 2電導(dǎo)率的測量可以通過圖1所示的A、C（或A´、C´）電極進(jìn)行測量，設(shè)A、C間的距離為l，樣

11、品的橫截面積為Sb d，流經(jīng)樣品的電流為Is，在零磁場下，測得A、C（A´、C´）間的電位差為V（VAC），可由下式求得 （10）3載流子遷移率的測量電導(dǎo)率與載流子濃度n以及遷移率之間有如下關(guān)系： n e由比例系數(shù) 得，|RH|。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仔細(xì)閱讀本實(shí)驗(yàn)儀使用說明書后，按圖（2）連接測試儀和實(shí)驗(yàn)儀之間相應(yīng)的Is、VH和IM各組連線，Is及IM 換向開關(guān)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(fù)值。VH、V切換開關(guān)投向上方測VH，投向下方測V。經(jīng)教師檢查后方可開啟測試儀的電源。圖（2） 霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀示意圖注意：圖（2）中虛線所示的部分線路即樣

12、品各電極及線包引線與對應(yīng)的雙刀開關(guān)之間連線已由制造廠家連接好）。必須強(qiáng)調(diào)指出：嚴(yán)禁將測試儀的勵磁電源“IM輸出”誤接到實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確測量，應(yīng)先對測試儀進(jìn)行調(diào)零，即將測試儀的“Is調(diào)節(jié)”和“ IM調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位，待開機(jī)數(shù)分鐘后若VH顯示不為零，可通過面板左下方小孔的“調(diào)零”電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)零，即“0.00”。轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)儀的“VH、V”切換開關(guān)投向VH側(cè)，測試儀的“功能切換”置VH。 保持IM值不變（取IM0.6A），測繪VHIs曲線，記入表1

13、中，并求斜率，代入（6）式求霍爾系數(shù)RH，代入（7）式求霍爾元件靈敏度KH。 表1 IM0.6A Is取值：1.00-4.00 mA。Is(mA)V1（mV）V2（mV）V3（mV）V4（mV）+Is +B +Is-B -Is-B -Is、+B1.001.502.002.503.004.00 2測繪VHIs曲線 實(shí)驗(yàn)儀及測試儀各開關(guān)位置同上。 保持Is值不變，（取Is3.00mA），測繪VHIs曲線，記入表2中。 表2 Is3.00mA IM取值：0.300-0.800A。 IM (A)V1(mV)V2（mV）V3（mV）V4（mV）+Is+B +Is-B -Is-B -Is、+B0.3000

14、.4000.5000.6000.7000.800 3測量V值 將“VH、V”切換開關(guān)投向V側(cè)，測試儀的“功能切換”置V。 在零磁場下，取Is2.00mA，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(shù)碼顯示為1，后三位數(shù)碼熄滅）。 4確定樣品的導(dǎo)電類型將實(shí)驗(yàn)儀三組雙刀開關(guān)均投向上方，即Is沿X方向，B沿Z方向，毫伏表測量電壓為VAA´。 取Is2mA，IM0.6A，測量VH大小及極性，判斷樣品導(dǎo)電類型。 5求樣品的RH、n、和 µ 值。 六、預(yù)習(xí)思考題1列出計算霍爾系數(shù)RH、載流子濃度n、電導(dǎo)率及遷移率µ的計算公式，并注明單位。2如已知霍爾

15、樣品的工作電流Is及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，如何判斷樣品的導(dǎo)電類型。3在什么樣的條件下會產(chǎn)生霍爾電壓，它的方向與哪些因素有關(guān)？4實(shí)驗(yàn)中在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時，還會產(chǎn)生那些副效應(yīng)，它們與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流Is有什么關(guān)系，如何消除副效應(yīng)的影響？ 附 錄 實(shí)驗(yàn)中霍爾元件的副效應(yīng)及其消除方法 （1）不等勢電壓降Vo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(cè)，位置不在一個理想的等勢面上，因此，即使不加磁場，只要有電 圖 （3）流Is通過，就有電壓VoIs r產(chǎn)生，其中r為A、A´所在的兩個等勢面之間的電阻，結(jié)果在測量VH時，就疊加了Vo，使得VH

16、值偏大，（當(dāng)Vo與VH同號）或偏小（當(dāng)Vo與VH異號）。由于目前生產(chǎn)工藝水平較高，不等勢電壓很小，像本實(shí)驗(yàn)用的霍爾元件試樣N型半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(guān)，而與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向無關(guān)，因此Vo可以通過改變Is的方向予以消除。 （2）熱電效應(yīng)引起的附加電壓VE如圖（4）所示，由于實(shí)際上載流子遷移速率 服從統(tǒng)計分布規(guī)律，構(gòu)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

17、作用力方向偏轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)。這樣使得一側(cè)高速載流子較多，相當(dāng)于溫度較高，另一側(cè)低速載流子較多，相當(dāng)于溫度較低，從而在Y方向引起溫差TATA´，由此產(chǎn)生的熱電效應(yīng)，在A、A´電極上引入附加溫差VE，這種現(xiàn)象稱為愛延好森效應(yīng)。這種效應(yīng)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(yīng)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效應(yīng)來不及建立，可以減小測量誤差，因此在實(shí)際應(yīng)用霍爾元件片時，一般都采用交流電。由于VEIsB，其符號與Is和B的方向的關(guān)系跟VH是相同的，因此不能用改

18、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(yīng)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(diǎn)兩處將產(chǎn)生不同的焦?fàn)枱?，?dǎo)致在X方向有溫度梯度，引起載流子沿梯度方向擴(kuò)散而產(chǎn)生熱擴(kuò)散電流，熱流Q在z方向磁場作用下，類似于霍爾效應(yīng)在Y方向上產(chǎn)生一附加電場N，相應(yīng)的電壓VN Q B，而VN的符號只與B的方向有關(guān)，與Is的方向無關(guān)，因此可通過改變B的方向予以消除。圖 （5） （4）熱磁效應(yīng)產(chǎn)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(kuò)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

19、述的同一道理將在Y方向產(chǎn)生溫度梯度TATA´，由此引入的附加電壓VRL Q B，VRL的符號只與B的方向有關(guān)，亦能消除。圖 （6）綜上所述，實(shí)驗(yàn)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(shù)和，其中VO、VN和VRH均通過Is和B換向?qū)ΨQ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´之間的電壓。設(shè)Is和B的方向均為正向時，測得A 、A´之間電壓記為V1，即： 當(dāng)+IS、+B時 V1 = VH +VO +VN +VRL +VE將B換向，而IS的方向不變，測

20、得的電壓記為V2，此時VH、VN、VRL、VE均改號而VO符號不變，即當(dāng)+IS、-B時 V2 =-VH +VO -VN -VRL -VE同理，按照上述分析當(dāng)-IS、-B時 V3 =VH -VO -VN -VRL +VE當(dāng)-IS、+B時 V4 =-VH -VO +VN +VRL -VE求以上四組數(shù)據(jù)V1、V2、V3和V4的代數(shù)平均值，可得 由于VE符號與IS和B兩者方向關(guān)系和VH是相同的，故無法消除，但在非大電流，非強(qiáng)磁場下，VH VE，因此VE可略而不計，所以霍爾電壓為：THH型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合儀使用說明書霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)于1879年，隨著電子技術(shù)的進(jìn)展，利用霍爾效應(yīng)制成的電子器件（霍爾元件），由

21、于結(jié)構(gòu)簡單，頻率響應(yīng)寬（高達(dá)10GHz）、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)實(shí)驗(yàn)既結(jié)合教學(xué)內(nèi)容又富有實(shí)用性，是一個能深化課堂教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能以及啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維和應(yīng)用設(shè)想的典型實(shí)驗(yàn)。為此，熱忱向各院校推薦我企業(yè)生產(chǎn)的TH-H型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合儀。 TH-H型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合儀可測定霍爾系數(shù)和載流子濃度，此外，結(jié)合電導(dǎo)率測量可確定試樣的載流子遷移率。 TH-H型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合儀設(shè)計合理，性能穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全符合實(shí)驗(yàn)要求。此外，其測試單元還具有多用功能，如用于電阻溫度實(shí)驗(yàn)，也可單獨(dú)作為直流恒流源或直流數(shù)字毫伏表使用。一、實(shí)驗(yàn)裝置簡介

22、TH-H型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合儀由實(shí)驗(yàn)儀和測試儀兩大部分組成。A 實(shí)驗(yàn)儀（如圖（1）所示）圖（1） 霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(biāo)者為頭（見實(shí)驗(yàn)儀上圖示），線包繞向?yàn)轫槙r針（操作者面對實(shí)驗(yàn)儀）根據(jù)線包繞向及勵磁電流IM流向，可確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，而B的大小與勵磁電流IM的關(guān)系由制造廠家給定并標(biāo)明在實(shí)驗(yàn)儀上。 2樣品和樣品架 樣品材料為N型半導(dǎo)體硅單晶片，根據(jù)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 d0.5mm，寬度b4.0mm，A、C電極間距l(xiāng)3.0mm。 （a） （b）圖（2） 樣品示意圖 樣品共有三

23、對電極，其中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(dǎo)；D、E為樣品工作電流電極。各電極與雙刀換接開關(guān)的接線見實(shí)驗(yàn)儀上圖示說明。 樣品架具有X、Y調(diào)節(jié)功能及讀數(shù)裝置，樣品放置的方位（操作者面對實(shí)驗(yàn)儀）如實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書圖（2）所示。 3IS和IM換向開關(guān)及VH和V測量選擇開關(guān)。IS和IM換向開關(guān)投向上方，則IS及IM均為正值，反之為負(fù)值；VH和V測量選擇開關(guān)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010mA樣品工作電流源，“IM輸出”為01A勵磁電流源。圖（3） 測試儀面板圖兩組電流源彼此獨(dú)立，兩

24、路輸出電流大小通過IS調(diào)節(jié)旋鈕及IM 調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，二者均連續(xù)可調(diào)。其值可通過“測量選擇”按鍵由同一只數(shù)字電流表進(jìn)行測量，按鍵測IM，放鍵測IS。 2直流數(shù)字電壓表VH和V通過功能切換開關(guān)由同一只數(shù)字電壓表進(jìn)行測量。電壓表零位可通過調(diào)零電位器進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)顯示器的數(shù)字前出現(xiàn)“”號時，表示被測電壓極性為負(fù)值。二、技術(shù)指標(biāo) 1勵磁電流源IM 輸出電流：01A，連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)1mA。 最大輸出負(fù)載電壓：25V。 電流穩(wěn)定度：優(yōu)于103（交流輸入電壓變化±10）。 電流溫度系數(shù)：103。 負(fù)載穩(wěn)定度：優(yōu)于103（負(fù)載由額定值變?yōu)榱悖?電流指示： 位發(fā)光管數(shù)字顯示，精度不低于0.5

25、。 2樣品工作電流源IS 輸出電流：010mA，連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)10A。 最大輸出負(fù)載電壓：12V。 電流穩(wěn)定度：優(yōu)于103（交流輸入電壓變化±10）。 電流溫度系數(shù)：103。 負(fù)載穩(wěn)定度：優(yōu)于103（負(fù)載由額定值變?yōu)榱悖?電流指示： 位發(fā)光管數(shù)字顯示，精度不低于0.5。 3直流數(shù)字毫伏表 測量范圍±20mV；±200mV。 位發(fā)光管數(shù)字顯示，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，電源進(jìn)線

26、為單相三線。 2電源插座和電源開關(guān)均安裝在機(jī)箱背面，保險絲為0.5A，置于電源插座內(nèi)。 3樣品各電極及線包引線與對應(yīng)的雙刀換接開關(guān)之間連線（已由廠家連接好）見實(shí)驗(yàn)儀上圖示說明。 4測試儀面板上的“IS輸出”、“IM輸出”和“VH 、V輸入”三對接線柱應(yīng)分別與實(shí)驗(yàn)儀上的三對相應(yīng)的接線柱正確連接。 5儀器開機(jī)前應(yīng)將Is、IM調(diào)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(jī)。6“VH 、V切換開關(guān)”應(yīng)始終保持閉合狀態(tài)。7儀器接通電源后，預(yù)熱數(shù)分鐘即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。8“IS調(diào)節(jié)”和“IM調(diào)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(zhuǎn)動而增加，細(xì)心操作，調(diào)節(jié)的精度分別

27、可達(dá)10A和1mA。IS和IM讀數(shù)可通過“測量選擇”按鍵來實(shí)現(xiàn)。按鍵測IM，放鍵測IS。9三個開關(guān)，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(guān)機(jī)前，應(yīng)將“I調(diào)節(jié)”和“IM調(diào)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(shù)為“000”，然后才可切斷電源。四、儀器檢驗(yàn)步驟 1儀器出廠前，霍爾片已調(diào)至電磁鐵中心位置?；魻柶源嘁姿椤㈦姌O甚細(xì)易斷，嚴(yán)防撞擊，或用手去觸摸，否則，即遭損壞！在需要調(diào)節(jié)霍爾片位置時，必須謹(jǐn)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(diào)節(jié)”和“IM調(diào)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(shí)驗(yàn)儀

28、的“IS輸入”，“IM輸出”接“IM輸入”，并將IS及IM換向開關(guān)擲向任一側(cè)。 注意：決不允許將“IM輸出”接到“IS輸入”或“VH 、V輸出”處，否則，一旦通電，霍爾樣品即遭損壞。4實(shí)驗(yàn)儀的“VH 、V輸出”接測試儀的“VH 、V輸入”，“VH 、V輸出”切換開關(guān)倒向VH 一側(cè)。5接通電源，預(yù)熱數(shù)分鐘后，電流表顯示“.000”（當(dāng)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(nèi)的電位器來調(diào)整）。6置“測量選擇”于IS檔（放鍵），電流表所示的IS值即隨“IS調(diào)節(jié)”旋鈕順時針轉(zhuǎn)動而增大，其變化范圍為010mA，此時電壓表所

29、示VH讀數(shù)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(yīng)所致，可通過“對稱測量法”予以消除），說明“IS輸出”和“IS輸入”正常。取IS2mA。7置“測量選擇”于IM檔（按鍵），順時針轉(zhuǎn)動“IM調(diào)節(jié)”旋鈕，查看變化范圍應(yīng)為01A。此時VH值亦隨IM增大而增大，當(dāng)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(yīng)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(yīng)將“IM調(diào)節(jié)”旋鈕復(fù)零。8放開測量選擇鍵，再測IS，調(diào)節(jié)IS =2 mA，然后將“VH 、V輸出”切換開關(guān)倒向V一側(cè)，測量V（AC電極間電壓），IS換向，V亦改號，至

30、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(guān)恢復(fù)VH 一側(cè)。 注意：查看V時，IS不宜過大，以免數(shù)字電壓表超量程，通常取IS為2mA左右。9本儀器數(shù)碼顯示穩(wěn)定可靠，但若電源線不接地則可能會出現(xiàn)數(shù)字跳動現(xiàn)象?！癡H 、V輸入”開路或輸入電壓超量程，則電壓表出現(xiàn)溢出現(xiàn)象。注：有時，IS調(diào)節(jié)電位器或I調(diào)節(jié)電位器起點(diǎn)不為零，將出現(xiàn)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(yīng)的傳感器，它能夠把許多非電學(xué)量，例如力、力矩、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間轉(zhuǎn)變成電學(xué)量進(jìn)行檢測和控制，在生產(chǎn)、生活中已得到廣泛的應(yīng)用。一、霍爾效應(yīng)高中

31、課本中（人教版選修31第103頁“課題研究：霍爾效應(yīng)”及人教版選修31第51頁“傳感器及其工作原理”）已對霍爾效應(yīng)作了簡單的闡述。db如圖，在一個很小的通電矩形半導(dǎo)體薄片上，加和薄片表面垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓U，如圖1，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。VH稱霍爾電壓。這是愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的這種現(xiàn)象是由于通過半導(dǎo)體中的載流子在洛侖茲力作用下向薄片橫向兩側(cè)積聚，形成一個電場（稱霍爾電場），該電場產(chǎn)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(cè)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

32、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進(jìn)行放大。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。霍爾元件可用多種半導(dǎo)體材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs等。下面是兩種半導(dǎo)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(jī)和測磁儀表。霍爾線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(qiáng)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(guān)電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。它可在B增加到一定數(shù)值（通常叫導(dǎo)通閾值）時，

33、使電路導(dǎo)通，輸出低電平，當(dāng)B降至某一值時，電路截止，輸出高電平，從而起到開關(guān)作用。這種開關(guān)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?yàn)榛魻柶骷枰ぷ麟娫?，用作運(yùn)動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運(yùn)動，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結(jié)果中提取被檢信息。用磁場作為被傳感物體的運(yùn)動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場，在空氣隙中， 磁感應(yīng)強(qiáng)度會隨距離增加而迅速下降。工作磁體和霍爾器件間的運(yùn)動方式有：(a)對移；(b)側(cè)移；(c)旋轉(zhuǎn)；(d)遮斷。如圖3所示，

34、圖中的TEAG為有效工作空隙。圖3三、霍爾元器件的簡單應(yīng)用霍爾器件的應(yīng)用極為廣泛，下面介紹幾種器件的簡單應(yīng)用。1  檢測磁場、鐵磁物質(zhì)缺口、齒輪轉(zhuǎn)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測，由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀態(tài)，并可對狹縫、小孔中的磁場進(jìn)行檢測。因鐵磁性物質(zhì)會對永磁體的磁場產(chǎn)生影響，故可利用霍爾元

35、件檢測缺口及轉(zhuǎn)速。在霍爾線性電路背面偏置一個永磁體，如圖4所示。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(zhuǎn)速。圖42  無損探傷鐵磁材料受到磁場激勵時，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內(nèi)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，磁力線會發(fā)生彎曲，使局部磁場發(fā)生畸變。用 霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)（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(yàn)等方面得到廣泛應(yīng)用。3  旋轉(zhuǎn)傳感器按圖5所示的各種方法

36、設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器?；魻栯娐吠姾螅朋w每經(jīng)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(zhuǎn)動物體實(shí)施轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、角速度等物理量的檢測。在轉(zhuǎn)軸上固定一個葉輪和磁體，用 流體（氣體、液體）去推動葉輪轉(zhuǎn)動，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)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(nèi)裝有一個帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關(guān)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(zhuǎn)動，經(jīng)過霍爾器件時，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數(shù)目，可

37、以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)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(chǎn)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(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在Z較小時，VH 與 Z 有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達(dá) 1m，結(jié)構(gòu)（C）的靈敏度高，但工作距離較小?；魻栐y量位移的優(yōu)點(diǎn)很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。 以微位移檢測為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)變、機(jī)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(yīng)用。霍爾加速度傳感器如圖8是霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原