用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)分布

1、1用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)分布霍爾效應(yīng)是美國(guó)科學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的。由于它揭示了運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在外磁場(chǎng)中因受洛倫茲力的作用而偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電勢(shì)差的規(guī)律，因此該效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域（測(cè)量技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等）中都有著廣泛的用途。現(xiàn)在霍爾效應(yīng)產(chǎn)品已經(jīng)在自動(dòng)化和信息技術(shù)中得到了廣泛地應(yīng)用。特別是在用計(jì)算機(jī)進(jìn)行四遙（遙測(cè)、遙控、遙信、遙調(diào)）監(jiān)控的一些現(xiàn)代化設(shè)備中，應(yīng)用磁平衡和磁比例式原理研制的霍爾電壓傳感

2、器、霍爾電流傳感器和霍爾開關(guān)量傳感器進(jìn)行靜電（直流）隔離，實(shí)現(xiàn)了直流電壓高精度的隔離傳送和檢測(cè)，直流電流高精度的隔離檢測(cè)和監(jiān)控量越限時(shí)準(zhǔn)確的隔離報(bào)警。從而在我國(guó)引起了許多科技人員對(duì)霍爾效應(yīng)、霍爾元件以及應(yīng)用霍爾效應(yīng)的實(shí)用知識(shí)和實(shí)用技術(shù)的關(guān)注。本實(shí)驗(yàn)通過研究霍爾電壓與工作電流的關(guān)系，霍爾電壓與磁場(chǎng)的關(guān)系以及消除霍爾效應(yīng)的副效應(yīng)的方法，從實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)霍爾效應(yīng)，為在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制和信息技術(shù)中應(yīng)用霍爾效應(yīng)打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。1897年，霍爾設(shè)

3、計(jì)了一個(gè)根據(jù)運(yùn)動(dòng)載流子在外磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)來確定在導(dǎo)體或半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位的載流子類型的實(shí)驗(yàn)。在研究通有電流的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力時(shí)，發(fā)現(xiàn)在垂直于磁場(chǎng)和電流的方向上產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電磁效應(yīng)稱為“霍爾效應(yīng)”。在半導(dǎo)體材料中，霍爾效應(yīng)比在金屬中大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，引起人們對(duì)它的深入研究?；魻栃?yīng)的研究在半導(dǎo)體理論的發(fā)展中起到了重要的推動(dòng)作用。直到現(xiàn)在，霍爾效應(yīng)的研究仍是研究半導(dǎo)體性質(zhì)的重要實(shí)驗(yàn)方法。利用霍爾系數(shù)和導(dǎo)電率的聯(lián)合測(cè)量，可以用來研究半導(dǎo)體的

4、到點(diǎn)機(jī)構(gòu)、散射機(jī)構(gòu)，并可以確定半導(dǎo)體的一些基本參數(shù)，如半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、遷移率大小、禁帶寬度、雜質(zhì)電離能等?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹俊緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）掌握霍爾元件的工作原理。（2）學(xué)習(xí)用霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)的原理和方法。（3）學(xué)習(xí)用霍爾元件測(cè)繪載流圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場(chǎng)分布。（4）學(xué)習(xí)用霍爾元件測(cè)繪螺線管磁場(chǎng)分布?！緦?shí)驗(yàn)原理】【實(shí)驗(yàn)原理】霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講，是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力的作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴

5、）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(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)。對(duì)于（圖151）所示的半導(dǎo)體試樣，若在X方向通以電流I，在Z方向加磁場(chǎng)B，則在Y方向即試樣A、A?電極兩側(cè)就開始聚積異號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng)。電場(chǎng)的指向取決于試樣的導(dǎo)電類型。顯然，該電場(chǎng)是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)載流子所受的橫向電場(chǎng)力與洛侖茲力相等HeE?eVB時(shí)，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡，故有：（151）HeEeVB??

6、其中為霍爾電場(chǎng)，是載流子在電流方向上的平均漂移速度。HE?V設(shè)試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n，則（152）SIneVbd?由（151）、（152）兩式可得：（153）1SSHHHIBIBVEbRnedd????31、可調(diào)移動(dòng)尺0170mm和霍爾元件組成2、螺線管和亥姆霍茲線圈3、霍爾電壓、霍爾電流、勵(lì)磁電流換向開關(guān)【儀器介紹】【儀器介紹】主機(jī)單元１、IM電流01A電流輸出及顯示主要用于螺線管和亥姆霍茲線圈２、IS電流010mA電

7、流輸出及顯示主要用于霍爾元件工作電流３、VH電壓0200mV電壓顯示主要用于霍爾元件測(cè)量電壓附件單元1、可調(diào)移動(dòng)尺0170mm和霍爾元件組成2、螺線管和亥姆霍茲線圈3、霍爾電壓、霍爾電流、勵(lì)磁電流換向開關(guān)【預(yù)習(xí)思考題】【預(yù)習(xí)思考題】1如果磁場(chǎng)不恰好垂直于霍爾片，對(duì)測(cè)量結(jié)果有何影響？2為什么制備霍爾元件的材料通常是半導(dǎo)體而不是金屬？【注意事項(xiàng)】【注意事項(xiàng)】1、測(cè)繪B→X曲線時(shí)，螺線管口附近磁場(chǎng)強(qiáng)度變化大，應(yīng)多測(cè)幾點(diǎn)。2、單線圈、雙線圈和螺

8、線管不要長(zhǎng)時(shí)間通過大電流，以免線圈發(fā)熱。3、不要將IM電流輸出接入霍爾片上，以免霍爾元件燒壞。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】注：開機(jī)前以及開始任何實(shí)驗(yàn)分項(xiàng)前請(qǐng)務(wù)必把所有旋鈕旋至最小位置。注：開機(jī)前以及開始任何實(shí)驗(yàn)分項(xiàng)前請(qǐng)務(wù)必把所有旋鈕旋至最小位置。（一）霍爾及螺線管磁場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)（一）霍爾及螺線管磁場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)前將IS調(diào)節(jié)旋鈕、IM調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)為零，將電源與附件相連，開機(jī)預(yù)熱10分鐘，。實(shí)驗(yàn)一、測(cè)實(shí)驗(yàn)一、測(cè)VH—IS曲線曲線將實(shí)驗(yàn)裝