四川大学霍尔效应实验.doc

霍 尔 效 应 实 验四川大学物理学院瞿华富霍尔效应是美国科学家霍尔于1879年发现的。由于它揭示了运动的带电粒子在外磁场中因受洛伦兹力的作用而偏转，从而在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势差的规律，因此该效应在科学技术的许多领域（测量技术、电子技术、自动化技术等）中都有着广泛的用途。现在霍尔效应产品已经在自动化和信息技术中得到了广泛地应用。特别是在用计算机进行四遥（遥测、遥控、遥信、遥调）监控的一些现代化设备中，应用磁平衡和磁比例式原理研制的霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和霍尔开关量传感器进行静电（直流）隔离，实现了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。从而在我国引起了许多科技人员对霍尔效应、霍尔元件以及应用霍尔效应的实用知识和实用技术的关注。本实验通过研究霍尔电压与工作电流的关系，霍尔电压与磁场的关系以及消除霍尔效应的副效应的方法，从实验中认识霍尔效应，为在自动检测、自动控制和信息技术中应用霍尔效应打下一个良好的基础。预习与思考题1什么是霍尔效应？它与外加磁场有何关系?2在测量霍尔电压时，怎样消除副效应的影响？3霍尔电压有何特点？霍尔效应有何用途？实验目的1、认识霍尔效应，懂得产生霍尔效应的机理。2、研究霍尔电压与工作电流的关系。3、学习用霍尔器件测量电磁铁磁场B的方法，研究霍尔电压与磁场的关系。4、了解霍尔效应的副效应及消除方法。5、学习消除失调电压的方法。实验仪器霍尔效应应用技术综合实验仪；霍尔效应实验板。实验原理1、霍尔效应及其产生机理IH图1 霍尔效应原理图一块长方形金属薄片或半导体薄片，若在某方向上通入电流IH，在其垂直方向上加一磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差UH，这个现象称为“霍尔效应”。UH称为“霍尔电压”。霍尔发现这个电位差UH与电流强度IH成正比，与磁感应强度B成正比，与薄片的厚度d成反比，即 （1）式中RH叫霍尔系数，它表示该材料产生霍尔效应能力的大小。霍尔电压的产生可以用洛伦兹力来解释。如图1所示，将一块厚度为d、宽度为b、长度为L的半导体薄片（霍尔片）放置在磁场B中，磁场B沿z轴正方向。当电流沿x轴正方向通过半导体时，若薄片中的载流子（设为自由电子）以平均速度沿x轴负方向作定向运动，所受的洛伦兹力为 （2）在fB的作用下自由电子受力偏转，结果向板面“I”积聚，同时在板面“”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿y轴负方向上的横向电场，使自由电子在受沿y轴负方向上的洛伦兹力fB的同时，也受一个沿Y轴正方向的电场力fE。设E为电场强度，UH为霍尔片I、面之间的电位差（即霍尔电压），则（3）fE将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有 （4）即或 （5）设载流子浓度为n，单位时间内体积为vdb里的载流子全部通过横截面，则电流强度IH与载流子平均速度v的关系为 （6）将（6）式代入（5）式得= RH （7）(7)式中，RH即为（1）式中的霍尔系数 RH = （8）(8)式中UH的单位为伏特，d的单位为厘米，IH的单位为安培，B的单位为高斯，霍尔系数RH的单位为（厘米3/库仑）。改写（7）式为： （9）(9)式中，KH称为霍尔元件的灵敏度。 KH=RH/d (10)(10)式中，RH的单位为（厘米3/库仑），d的单位为厘米、KH的单位为(mV/mAT)。2、霍尔电压的特性及测量从（9）式UH=KHIHB便可看出霍尔电压的特性为：1.在一定的工作电流IH下，霍尔电压UH与外磁场磁感应强度B成正比。这就是霍尔效应检测磁场的原理。即B= （11）2.在一定的外磁场中，霍尔电压UH与通过霍尔片的电流强度IH（工作电流）成正比。即 （12）伴随霍尔效应还存在其它几个副效应（统称热电热磁效应），给霍尔电压的测量带来附加误差。例如，由于测量电位的两电极位置不在同一等位面上而引起的电位差U0称为不等位电位差。U0的方向随电流方向而变，与磁场无关。另外还有几个副效应引起的附加误差UE、UN、URL（详见附录）。由于这些电位差的符号与磁场、电流方向有关。因此在测量时只要改变磁场、电流方向就能减小或消除这些附加误差，于是在（+B，+IH）、（+B，-IH）、（-B，-IH）、（-B，+IH）四种条件下进行测量，将测量到的四个电压值取绝对值平均，作为UH的测量结果。对霍尔元件而言，除上述热电热磁效应会给霍尔电压的测量带来附加误差之外，还有包括加工在内的其它诸多原因都会给霍尔电压带来附加误差，具体表现为：在只加工作电流IH不加磁场的情况下霍尔元件会有微量电压输出，这个电压常称失调电压。在应用霍尔元件于自动检测、隔离监控和信息技术中时，失调电压会给结果带来恶劣影响。因此，在使用霍尔元件时，必须消除失调电压。消除失调电压的方法有多种，本实验板上采用的方法为补偿法。3、霍尔效应的用途（1）测量磁场。B=（2）判断半导体内载流子的类型。半导体材料有n型（电子型）和p型（空穴型）两种，前者的载流子为电子，带负电；后者的载流子为空穴，相当于带正电的粒子。因此，可以根据霍尔电压的正负及磁场的方向确定半导体中载流子的类型。由图1可看出，对n型载流子，霍尔电压UH0；对p型载流子，UH0。随着自动化、信息化的迅速发展，霍尔效应已经在自动检测、隔离监控和信息技术中得到了广泛地应用，其主要用途如下。（3）直流电压高精度的隔离传送和检测。（4）直流电流高精度的隔离检测。（5）直流电流、直流电压越限时准确的隔离报警。（6）检测非电量。例如，保持流过霍尔元件的电流恒定，使霍尔元件在已知的梯度磁场中移动，则霍尔电势的大小就能反映磁场的变化，因而也就反映出位移的变化。在此情况下，利用霍尔效应可以测量微小位移和机械振动等等。其它任何非电量，只要能转换成位移量的变化，根据上述原理均可应用霍尔元件制成的变换器进行自动检测。由于霍尔效应的建立需要的时间仅为10-12S，因此使用霍尔元件时可以用直流电，也可以用交流电。若工作电流用交流电IH=I0sint，则 （13）（13）式中的霍尔电压也是交变的。在使用交流电情况下，（9）式仍可使用，只是式中IH和UH应理解为有效值。值得注意的是以上讨论都是在磁场方向与电流方向垂直的条件下进行的，这时霍尔电压最大，因此在应用时应使霍尔片平面与磁场磁感应强度矢量B的方向垂直，这样才能得到正确的结果。4、霍尔元件材料的基本常识由固体材料导电机理知，该材料的霍尔系数RH与该材料载流子的迁移率和电阻率之间有如下关系：= （14）由（1）式和（14）式中可知，要得到大的霍尔电压，关键是选择霍尔系数大（即迁移率高，电阻率亦较高）的材料。就金属导体而言，和均很低，而不良导体虽高，但极小，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。半导体高，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迁移率大，所以霍尔元件多采有n型材料，其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄模型的霍尔器件的输出电压较片状要高得多。就霍尔器件而言，其厚度一定的，所以实用上常采用来表示器件的灵敏度，KH称为霍尔灵敏度，单位为mV/(mAT)或mV/( mAKGS)，目前一种用高迁移率的锑化铟为材料的薄膜型霍尔器件，其KH可高达200300 mV/(mAT)，而通常片状的硅霍尔器件的KH仅为2 mV/(mAT)。本实验板上的霍尔元件为THS119（TOSHIBA），材料为GaAs，KH为110280mv/(mAT)仪器介绍本实验采用四川大学物理学院研制的HYS-1型霍尔效应应用技术综合实验仪（如图2所示）。该实验仪是集霍尔效应实验和霍尔效应应用实验于一体的集成数字式多功能综合实验仪。在本实验仪上可做五个实验。即：霍尔效应实验、直流电压高精度的隔离传送和检测实验、直流电流高精度的隔离检测实验、直流电流越限时准确的隔离报警实验和直流电压越限时准确的隔离报警实验。上述五个实验是由与之对应的四个实验板，即霍尔效应实验板、直流电压隔离传送实验板、直流电流隔离检测实验板和监控量（电流、电压）越限隔离报警实验板来实现的。该实验仪框图如图3（去掉箱盖的俯视图）所示，它是由上述的四个实验功能板和固定在同一环氧板（面板）上的换向闸刀、数字表头及测量选择开关、接线柱、电源开关以及安装在环氧板下方的电源（未画出）等组成，并组装在一个铝合金箱内。 图2 HYS-1型霍尔效应应用技术综合实验仪式使用时，从实验板存放盒中取出所做实验的实验板并固定在实验板位置上，即可接线做实验。V:020VV:020V图3 HYS-1型霍尔效应应用技术综合实验仪框图本实验仪上的一号表、二号表、三号表三个数字表头与测量选择开关配合，既能测电压，也能测电流。当测量电压时，测量选择开关掷电压端；当测量电流或不用时，测量选择开关掷电流端。实验内容1）研究霍尔电压与工作电流的关系。2）测量电磁铁磁场，研究霍尔电压与磁场的关系。3）研究消除霍尔效应的几个副效应的方法。4）学习消除失调电压的方法。实验电路及方法1、实验板及实验电路霍尔效应实验板如图4所示图4霍尔效应实验板实验电路如图5所示图5 霍尔效应实验电路（注：图5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。 注意事项1、消除失调电压时必须用双刀闸刀同时断开励磁电流的两个电极。2、霍尔元件的工作电流不得长时间超过10mA，否则会因过热而损坏。3、三个换向开关可能接触不良，所以每次换向后都应注意观察IM、IH是否改变，改变了要急时调整过来数据处理方法与要求1霍尔电压与工作电流的关系（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）2.004.006.008.00（+IM、+IH）U1(mV)（UIMU1(mV)（+IM、-IH）U2(mV)（-IM、-IH）U3(mV)（-IM、IH）U4(mV)UH(mV)B(T) 2霍尔电压与磁场的关系（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)（+IM、-IH）U2(mV)（-IM、-IH）U3(mV)（-IM、IH）U4(mV)UH(mV)B(T) 3、按表1、表2的要求处理数据，并作出UH-IH和UH-B曲线。总结与思考1、在结论中按以下要求作出总结。 霍尔电压的特性。 霍尔效应的用途。2、设想一个应用霍尔效应检测电流的方法。附 录 霍尔效应的副效应及其消除方法在产生霍尔电压时，会伴随产生一些副效应，这些副效应将影响测量霍尔电压的精确度。它们是：1. 不等位效应由于制造工艺技术的限制，霍尔元件的电位极不可能接在同一等位面上，因此，当电流IH流过霍尔元件时，即使不加磁场，两电极间也会产生一电位差，称不等位电位差U。显然，U0只与电流IH有关，而与磁场无关。2. 埃廷豪森效应（Etinghausen effect）由于霍尔片内部的载流子速度服从统计分布，有快有慢，于是它们在磁场中受的洛伦兹力不同，则轨道偏转也不相同。动能大的载流子趋向霍尔片的一侧，而动能小的载流子趋向另一侧，随着载流子的动能转化为热能，使两侧的温升不同，形成一个横向温度梯度，引起温差电压UE，UE的正负与IH、B的方向有关。3. 能斯特效应（Nernst effect）由于两个电流电极与霍尔片的接触电阻不等，当有电流通过时，在两电流电极上有温度差存在，出现热扩散电流，在磁场的作用下，建立一个横向电场EN，因而产生附加电压UN。UN的正负仅取决于磁场的方向。4. 里纪-勒杜克效应（Righi-Leduc effect）由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于埃廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度而产生相应的温度电压URL，URL的正、负只与B的方向有关，和电流IH的方向无关。综上所述，由于附加电压的存在，实测的电压，既包括霍尔电压UH，也包括U0、UE、UN和URL等