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一、实验名称： 霍尔效应原理及其应用
二、实验目的：
1、了解霍尔效应产生原理；
2、测量霍尔元件的 、 曲线,了解霍尔电压 与霍尔元件工作电流 、直螺线管的励磁电流 间的关系；
3、学习用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法,测量长直螺旋管轴向磁感应强度 及分布；
4、学习用对称交换测量法（异号法）消除负效应产生的系统误差.
三、仪器用具：YX-04型霍尔效应实验仪（仪器资产编号）
四、实验原理：
1、霍尔效应现象及物理解释
霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力 作用而引起的偏转.当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横向电场.对于图1所示.
半导体样品,若在x方向通以电流 ,在z方向加磁场 ,则在y方向即样品A、A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的电场 ,电场的指向取决于样品的导电类型.显然,当载流子所受的横向电场力 时电荷不断聚积,电场不断加强,直到 样品两侧电荷的积累就达到平衡,即样品A、A′间形成了稳定的电势差（霍尔电压） .
设 为霍尔电场, 是载流子在电流方向上的平均漂移速度；样品的宽度为 ,厚度为 ,载流子浓度为 ,则有：
（1－1）
因为 , ,又根据 ,则
（1－2）
其中 称为霍尔系数,是反映材料霍尔效应强弱的重要参数.只要测出 、 以及知道 和 ,可按下式计算 ：
（1－3）
（1—4）
为霍尔元件灵敏度.根据RH可进一步确定以下参数.
（1）由 的符号（霍尔电压的正负）判断样品的导电类型.判别的方法是按图1所示的 和 的方向（即测量中的＋ ,＋ ）,若测得的 ＜0（即A′的电位低于A的电位）,则样品属N型,反之为P型.
（2）由 求载流子浓度 ,即 .应该指出,这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的.严格一点,考虑载流子的速度统计分布,需引入 的修正因子（可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》）.
（3）结合电导率的测量,求载流子的迁移率 .电导率 与载流子浓度 以及迁移率 之间有如下关系：
（1－5）
2、霍尔效应中的副效应及其消除方法
上述推导是从理想情况出发的,实际情况要复杂得多.产生上述霍尔效应的同时还伴随产生四种副效应,使 的测量产生系统误差,如图2所示.
（1）厄廷好森效应引起的电势差 .由于电子实际上并非以同一速度v沿y轴负向运动,速度大的电子回转半径大,能较快地到达接点3的侧面,从而导致3侧面较4侧面集中较多能量高的电子,结果3、4侧面出现温差,产生温差电动势 .可以证明 . 的正负与 和 的方向有关.
（2）能斯特效应引起的电势差 .焊点1、2间接触电阻可能不同,通电发热程度不同,故1、2两点间温度可能不同,于是引起热扩散电流.与霍尔效应类似,该热扩散电流也会在3、4点间形成电势差 .若只考虑接触电阻的差异,则 的方向仅与磁场 的方向有关.
（3）里纪-勒杜克效应产生的电势差 .上述热扩散电流的载流子由于速度不同,根据厄廷好森效应同样的理由,又会在3、4点间形成温差电动势 . 的正负仅与 的方向有关,而与 的方向无关.
（4）不等电势效应引起的电势差 .由于制造上的困难及材料的不均匀性,3、4两点实际上不可能在同一等势面上,只要有电流沿x方向流过,即使没有磁场 ,3、4两点间也会出现电势差 . 的正负只与电流 的方向有关,而与 的方向无关.
综上所述,在确定的磁场 和电流 下,实际测出的电压是霍尔效应电压与副效应产生的附加电压的代数和.可以通过对称测量方法,即改变 和磁场 的方向加以消除和减小副效应的影响.在规定了电流 和磁场 正、反方向后,可以测量出由下列四组不同方向的 和 组合的电压.即：
, ：
, ：
, ：
, ：
然后求 , , , 的代数平均值得：
通过上述测量方法,虽然不能消除所有的副效应,但 较小,引入的误差不大,可以忽略不计,因此霍尔效应电压 可近似为
（1－6）
3、直螺线管中的磁场分布
1、以上分析可知,将通电的霍尔元件放置在磁场中,已知霍尔元件灵敏度 ,测量出 和 ,就可以计算出所处磁场的磁感应强度 .
（1－7）
2、直螺旋管离中点 处的轴向磁感应强度理论公式：
（1－8）
式中, 是磁介质的磁导率, 为螺旋管的匝数, 为通过螺旋管的电流, 为螺旋管的长度, 是螺旋管的内径, 为离螺旋管中点的距离.
X=0时,螺旋管中点的磁感应强度
（1－9）
五、 实验内容：
测量霍尔元件的 、 关系；
1、将测试仪的“ 调节”和“ 调节”旋钮均置零位（即逆时针旋到底）,极性开关选择置“0”.
2、接通电源,电流表显示“0.000”.有时, 调节电位器或 调节电位器起点不为零,将出现电流表指示末位数不为零,亦属正常.电压表显示“0.0000”.
3、
如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。
用霍尔元件可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。
半导体中电子迁移率（电子定向运动的平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件霍尔元件。
常用的半导体材料N型硅、N型锗、锑化铟、砷化铟和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In型固溶体等。
扩展资料：
已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。
例如汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。
百度百科-霍尔元件
百度百科-霍尔效应
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