霍尔效应_5完整版.docVIP

霍尔效应 1879年，24岁的美国人霍尔在研究载流导体在磁场中所受力的性质时看，发现了一种电磁效应，即如果在电流的垂直方向加上磁场，则在同电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场。这个效应后来被称为霍尔效应。产生的电压(UH)，叫做霍尔电压。好比一条路, 本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动。当有磁场时, 大家可能会被推到靠路的右边行走，故路 (导体) 的两侧, 就会产生电压差。这个就叫“霍尔效应”。根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。 　　 许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。 　　 实验目的 1. 了解霍尔效应实验原理 2. 测量霍尔电流与霍尔电压之间和励磁电流与霍尔电压之间的关系 3. 学会用霍尔元件测量磁场分布的基本方法 4. 学会用“对称测量法”消除负效应的影响 实验原理 1. 霍尔效应 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流I沿X轴方向垂直于外磁场B(沿Z方向)通过导体时，在Y方向，即导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差VH，如图1所示，这现象称为霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电压。 实验表明，在磁场不太强时，霍尔电压VH与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即(1)。其中RH称为霍尔系数，KH称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv/(mA.T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子(N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴)在磁场中所受到的洛伦兹力作用而产生的。 如图1(a)所示，一块长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁场B中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子——电子所受到的洛伦兹力为： (2) 式中V为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷量。Fm指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场EH(即霍尔电场)，使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力Fe，A、B面之间的电势差为VH(即霍尔电压)，则 (3) 将阻碍电荷的积聚，最后达到稳定状态时有即。化简后，有： (4) 此时B端电位高于A端电位。 若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流：，得 (5) 把(5)式代入(4)式得： (6) 式中RH称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小；KH称为霍尔元件的灵敏度，一般地说，KH愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压VH。因KH和载流子浓度n成反比，而半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏度较高。又因KH和样品厚度d成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般d≈0.2mm。 上面讨论的是N型半导体样品产生的霍尔效应，B侧面电位比A侧面高；对于P型半导体样品，由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴，与N型半导体的情况相反，A侧面积累正电荷，B侧面积累负电荷，如图1(b)所示，此时，A侧面电位比B侧面高。由此可知，根据A、B两端电位的高低，就可以判断半导体材料的导电类型是P型还是N型。 由(6)式可知，如果霍尔元件的灵敏度KH已知，测得了工作电流I和产生的霍尔电压VH，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为。高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度B值的仪器。它是选定霍尔元件，即KH已确定，保持工作电流I不变，则霍尔电压VH与被测磁感应强度B成正比。如按照霍尔电压的大小，预先在仪器面板上标定出高斯刻度，则使用时由指针示值就可直接读出磁感应强度B值。 严格地说，在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同，考虑到载流子速度的统计分布，并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移率之积，可得半导体霍尔系数的公式中还应引入一个霍尔因子rH，即或 普通物理实验中常用N型Si、N型Ge、InSb和InAs等半导体材料的霍尔元件在室温下测量，霍尔因子 2. 霍尔效应的副效应 上述推导是从理想情况出发，实际情况要复杂得多，在产生霍尔电压VH的同时，还伴有四种副效应，副效应产生的电压