霍爾效應(yīng)法測量螺線管磁場分布

霍爾效應(yīng)法測量螺線管磁場分布 1879年美國霍普金斯大學(xué)研究生霍爾在研究載流導(dǎo)體在磁場中受力性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種電磁現(xiàn)象，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，半個(gè)多世紀(jì)以后，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體也有霍爾效應(yīng)，而且半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多。近30多年來，由高電子遷移率的半導(dǎo)體制成的霍爾傳感器已廣泛用于磁場測量和半導(dǎo)體材料的研究。用于制作霍爾傳感器的材料有多種:單晶半導(dǎo)體材料有鍺，硅；化合物半導(dǎo)體有銻化銦，砷化銦和砷化鎵等。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，磁的應(yīng)用越來越被人們重視。目前霍爾傳感器典型的應(yīng)用有：磁感應(yīng)強(qiáng)度測量儀(又稱特斯拉100A-2000A功1980·光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)等。,.原理霍爾效應(yīng)1所示.IdB,bI，磁場B.霍爾電勢差樣產(chǎn)生的：當(dāng)電流I通過霍爾元件（假設(shè)為P型）的H漂移度v，垂直磁場對運(yùn)動電荷產(chǎn)生一個(gè)洛侖茲力F q(vB)B

（1）式中 q為電子電荷，洛侖茲力使電荷產(chǎn)生橫向的偏，由于樣品有邊界，所以偏的載流子將在邊界積累起來，產(chǎn)生一個(gè)橫向電場 E，直到電場對載流子的作用力 F＝qE與磁場作E用的洛侖茲力相抵消為止，即q(vB)qE

（2）時(shí)電荷在樣品中流動時(shí)再偏，霍爾電勢差就由個(gè)電場建立起來的。如果N型樣品，則橫向電場與前者相反，所以 N型樣品和 P型樣品的霍爾電勢差同的符號，據(jù)此可以判霍爾元件的導(dǎo)電類型。設(shè) P型樣品的載流子濃度為Р，寬度為ω，厚度為 d，通過樣品電流 I＝Рqvωd，H則空穴的度 v=I/Рqωd代入（2）式有HEvB I B

（3）pq d上式兩邊各乘以ω，便得到U

IHBR IHB

（4）H pqd H d其中RH

1 稱為霍爾系數(shù)，在應(yīng)用中一般寫成pqU K I BH H H

5）KH

R d1H

mV/(mA·TKHD11HI2VH1VH242HI3愈大愈好。D11HI2VH1VH242HI3HKdH有0.2mm厚。51流2電 3H HUB大小這就是效應(yīng)測量磁場原理。HC圖1 圖2因此根據(jù)IB方向?qū)嶒?yàn)測出電壓正負(fù)由此確定正負(fù)是研究半導(dǎo)體材料n則導(dǎo)電載流子電子和負(fù)；反之p型半導(dǎo)體,則導(dǎo)電載流子空穴和正。副效應(yīng)及消除副效應(yīng)方法一般有四根引線兩根輸入電流“電流輸入端”接在可的B電；兩根“電壓輸出端”接電壓。理0)U0H差電壓。這是半導(dǎo)體材料電對及磁效應(yīng)等引起電勢差。具體如下：等勢電壓降 U0在加磁場下通以電流理片兩電壓引線間應(yīng)存在A電勢差。實(shí)由于片有差片兩電壓引線不在一因此即磁場只要片以電流則兩電壓引線就有A一UU方向與電流方向有與磁場方向。U大小和電0 0 0U同量級或更大。在所有附加電勢中居首。H愛廷豪森效應(yīng)(Etinghausen)1 2 3B片I由于載流子載流子所。作道道半。大大的道小載流子小道。導(dǎo)片一出載流子；一載流子。兩端之由于差于是出差電勢UEUE大小與IB乘積成正方向隨 IB換向而改變3．能斯托效應(yīng)(Nernst)由于電流引出線焊點(diǎn)接觸電阻同通I后因帕貼效應(yīng)一端；一端。于是出差度引差引電流。入磁場出電勢而起附加UN關(guān)關(guān)。4．里紀(jì)－勒杜克效應(yīng)(Righi-Leduc)上述熱擴(kuò)散電流的載流子遷移速率不盡相同，在霍爾元件放入磁場后，電壓引線間同樣會出現(xiàn)溫度梯度，從而引起附加電勢 U。U的方向與磁場的方向有關(guān)，與電流RL 方向無關(guān)。在霍爾元件實(shí)際應(yīng)用中，一般用零磁場時(shí)采用電壓補(bǔ)償法消除霍爾元件的剩余電壓，如圖 2所示。在實(shí)驗(yàn)測量時(shí)為了消除副效應(yīng)的影響，分別改變 I的方向和 B的方向，記下四組電H勢差數(shù)據(jù)（K、K換向開關(guān)向上為正）1 2當(dāng) I正向、B正向時(shí)：U=U+U+U+UH 1 H 0 E N 當(dāng) I負(fù)向、B正向時(shí)：U=-U-U-U+UH 2 H 0 E N 當(dāng) I負(fù)向、B負(fù)向時(shí)：U=U-U+U-UH 3 H 0 E N 當(dāng) I正向、B負(fù)向時(shí)：U=-U+U-U-UH 4 H 0 E N RL作運(yùn)算 U-U+U-U，并取平均值，得1 2 3 41U4 1

U U3

)U UH E由于 U和 U始終方向相同，所以換向法不能消除它，但 UU，以不，于是E HU 1UH 4 1 2

U U )3 4

E H（6）溫度差的時(shí)間，，如采用流電它不以測量差。3．電線中磁應(yīng)度值據(jù)電磁－爾(Biot-Savart)，電線線上中的磁應(yīng)度為MB M

（7）中

D2線線上上的磁應(yīng)度為B 1B 1

NIL2L2D2

（8）2 中2中，為磁的磁率，中4×10－7T*m/，N為線的總匝數(shù)，I為螺0 M線的勵(lì)磁電流，L為線的度，D為線的平均徑。實(shí)驗(yàn)儀器GHL1 電線實(shí)驗(yàn)裝置，雙刀雙擲換向開關(guān)，VAA電壓測量雙路恒流電源實(shí)驗(yàn)容線實(shí)驗(yàn)磁電流入換向開關(guān) K，與 A電磁流出相實(shí)驗(yàn)裝置霍爾電流輸入過雙刀換向開關(guān) K2與 電源霍爾控制恒流輸出相接；實(shí)驗(yàn)裝置霍爾電壓輸出與 VAA電源霍爾電壓輸入相接。放置測量探頭于線線中央，即15cm刻度處，調(diào)節(jié)霍爾控制恒流輸出為 5.00mA，依次調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流為 0、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000mA,測量霍爾輸出電壓，證明霍爾電勢差與線磁應(yīng)度成正比。放置測量探頭于線線中央，即15cm刻度處，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流 1000mA，調(diào)節(jié)霍爾控制恒流輸出為 0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00、4.50、5.00mA，測量霍爾輸出電壓，證明霍爾電勢差與霍爾電流成正比。AX00┅┅30.0cm勢差找出勢差中央一半的刻度位置。依給出的靈敏度作B－X用中心點(diǎn)感應(yīng)強(qiáng)度理論計(jì)算值校準(zhǔn)或定傳感器的靈敏度.注意事項(xiàng)注意實(shí)驗(yàn)中元件不等位效應(yīng)的觀設(shè)法消除其對結(jié)果的影響。圈不宜長時(shí)間通否則圈發(fā)熱影響結(jié)果。元件有一定的溫度系數(shù)了減少其自身發(fā)熱對影響不宜超過其額定工作5mA.思考題用簡圖示意用效應(yīng)法判斷np在利用效應(yīng)場過程中IH

的不？果在中位長度的數(shù)不或不在實(shí)驗(yàn)中出什么情？在B-X的位置是否？效應(yīng)在中有應(yīng)用？一的

效應(yīng)場實(shí)驗(yàn)報(bào)告 了解效應(yīng)象掌握其場的原理。。二原理元件作如圖1所示.若流I流過厚度為d半導(dǎo)體薄片,且B垂作于該這種現(xiàn)象稱為.在與流IB垂產(chǎn)生勢差稱為用U勢差.HUH

U K I BH H H

(1)式中,KH

稱為元件靈敏度,RH

是由半導(dǎo)體本身子遷移率決定物理常數(shù),稱為為感I為流強(qiáng)度.雖然從理論上元件在無作時(shí)(B=0),U=0,但是實(shí)際情況數(shù)字壓表并不H為零,這是由于半導(dǎo)體材料結(jié)晶不均勻,副及各極不對稱等勢差,該勢差U稱為壓。在元件實(shí)際中,

是零時(shí)壓2電 30D10D11HI2VH1VH242HI3U壓 ,圖2示.圖1 C 2材L1 置 1 臺關(guān) 2 把VAA壓流源 1 臺導(dǎo)線 若干BA1 2 3實(shí)和實(shí)步驟1實(shí)3315cm5.00m00000,UIH Mm000UH

IH

AAX0.、1.02.0┅┅30.0cm的找一半的位給的靈敏作B－X.用心點(diǎn)理論計(jì)算值校準(zhǔn)或定傳器的靈敏度1。工作I=5.00mA，15cmH表1IIH/mAVH1/mVVH2/mVVH3/mVVH4/mV平 均VH/mV01002003004005006007008009001000測量工作。螺線管通IM=500mA，15cm2IH/mAVH1/mVVH2/mVVH3/mVVH4/mV平均 VH/mV0.501.001.502.002.503.003.504.004.5