霍尔式接近开关是利用霍尔效应而制成的一种磁敏传感器。图5-2-10所示为霍尔电流传感器内部结构。图5-2-10 霍尔电流传感器内部结构图图5-2-11 霍尔电压传感器原理图霍尔电流和电压传感器由于具有很好的电气隔离性能，广泛应用于焊接电源的电流和电压采样中，这样可保证电源主电路与控制电路的良好隔离。霍尔电流和电压传感器的动态响应速度很快，在电弧动态特性的测量中，也采用这两种传感器进行瞬时电流和电压的测量。......
2023-06-26
霍尔效应及应用-大学物理实验
【摘要】：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。流体中的霍尔效应是研究 “磁流体发电”的理论基础。了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。TH—H型霍尔效应实验组合仪。
置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直与电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855～1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。霍尔效应是磁电效应的一种，后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，而且利用该现象制成的各种霍尔元件，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。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。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。流体中的霍尔效应是研究 “磁流体发电”的理论基础。
【实验目的】
（1）了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。
（2）学习用 “对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的VH—IS和VH—IM曲线。
（3）学会确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
【实验原理】
1.霍尔效应
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时，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场EH。如图17-1所示的半导体试样，若在X方向通以电流IS，在Z方向加磁场B，则在Y 方向即试样A-A′电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图17-1 （a）所示的N型试样，霍尔电场逆Y方向，（b）的P型试样则沿Y方向。即有
图17-1 霍尔效应实验原理示意图
（a）载流子为电子 （N）型；（b）载流子为空穴 （P型）
显然，霍尔电场EH 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力eEH与洛仑兹力evB 相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故
式中 EH——霍尔电场；
——载流子在电流方向上的平均漂移速度。
设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则
由式（17-1）、式 （17-2）可得
2.导体材料霍尔系数的确定
按式（17-3），只要测出UH （V）以及知道IS （A）、B （Gs）和d （cm）可计算RH（cm3/C），即
式 （17-4）中的108 是由于磁感应强度B 用电磁单位 （Gs），而其他各量均采用CGS实用单位而引入。
3.导体材料导电类型的确定
若实验中能测出IS、B的方向，就可判断UH 的正负，决定霍尔系数的正负，从而判断出半导体的导电类型。当RH ＜0时，样品属N型 （载流子为电子），反之则为P型（载流子为空穴）。
4.导体材料载流子浓度的确定
如果知道UH、IS、B （由实验时测得），就可确定该材料的载流子浓度。根据电导率σ与载流子浓度n以及迁移率μ之间的关系σ=neμ知，通过实验测出σ值即可求出μ
5.霍尔组件对材料的要求
根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率μ高、电阻率ρ亦较高）的材料。因|RH|=μρ，就金属导体而言，μ和ρ均很低，而不良导体ρ虽高，但μ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μ高，ρ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的迁移率大，所以霍尔元件都采用N型材料，其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔组件的输出电压较片状要高得多。
【实验仪器】
TH—H型霍尔效应实验组合仪。
TH—H型霍尔效应实验组合仪由实验仪和测试仪两大部分组成，如图17-2所示。
图17-2 TH—H型霍尔效应实验组合仪
（a）实验仪；（b）测试仪
1.实验仪
（1）电磁铁。磁铁线包的引线有星标者为头，线包绕向为顺时针，根据线包绕向及励磁电流IM 的关系标明在线包上。
（2）样品和样品架。样品材料为N型半导体硅单芯片，样品的几何尺寸为：厚度d=0.5mm，宽度b=4.0mm，A、C电极间距l=3.0mm。
样品共有三对电极，其中A、A′或C、C′用于测量霍尔电压UH，A、C或A′、C′用于测量传导电压Uσ，D、E为样品工作电流电极。样品架具有X、Y调节功能及读数装置。
（3）IS 和IM 换向开关及UH、Uσ切换开关。
IS 及IM 换向开关投向上方，则IS 及IM 均为正值，反之为负值，“UH、Uσ”切换开关投向上方测UH，投向下方测Uσ。
2.测试仪
（1）“IS 输出”为0～10mA样品工作电流源，“IM 输出”为0～1A励磁电流源，两路输出电流大小通过IS 调节旋钮及IM 调节旋钮进行调节，其值可通过“测量选择”按键由同一只数字电流表进行测量，按键测IM，放键测IS。
（2）直流数字电压表。IM 和Uσ通过功能切换开关由同一只数字电压表进行测量。电压表零位可通过调零电位器进行调整。当显示器的数字前出现“-”号时，表示被测电压极性为负值。
【实验内容】
1.测绘UH—IS 曲线
（1）将测试仪面板上的“IS 输出”、 “IM 输出”和 “UH、Uσ 输入”三对接线柱分别与实验仪上的三对相应的接线柱正确相连，如图17-3所示。切不能将IM 电流接到样品电流上，否则可能烧坏样品。
图17-3 实验线路连接装置图
（2）将实验仪“UH、Uσ”切换开关合向UH 侧，测试仪 “功能切换”置UH，“测量选择按钮”按下，调 “IM 调节”，取IM=0.6A保持不变。
（3）放键“测量选择”调 “IS 调节”，使IS 值为表中所示，并相应地转换IS 输入、IM 输入开关方向。测出UH 为U1，U2，U3，U4 见表17-1。
2.测绘UH—IM 曲线
（1）实验仪及测试仪各开关位置同上。
（2）“测量选择”按钮放键，调节“IS 调节”，使IS=3.00mA保持不变。
（3）按下“测量选择”调 “IM 调节”，使IM 值为表17-2中所示，并相应地转换IS输入、IM 输入开关方向，测出UH 为U1、U2、U3、U4，见表17-2。
3.测量Uσ值，计算电导率(www.chuimin.cn)
（1）将 “UH、Uσ”切换开关投向Uσ侧，“功能切换”置Uσ。
（2）在零磁场下（IM=0），使IS=2.00mA，测量Uσ。
（3）根据
计算σ值。
4.确定样品的导电类型
将实验仪三组双刀开关均投向上方，取IS=2.00mA，IM=0.6A，观测UH 大小及极性，判断样品导电类型。
5.求样品的RH，n和μ值
（1）由公式B=KBIM，计算B值，其中IM=0.6A，KB 值在磁铁线包上标明。
（2）计算RH。
式中，UH 的单位取V，B的单位取Gs，d的单位取cm，则RH 的单位为cm3/C。
（3）计算n：
（4）计算μ：μ=|RH|σ。
注意：关机前，应将“IS 调节”旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于零，然后才可切断电源。
【实验结果与数据处理】
（1）数据记录参考表见表17-1和表17-2。
表17-1 测绘UH—IS实验曲线数据记录表(IM=0.600A)
表17-2 测绘UH—IM实验曲线数据记录表(IS=3.00mA)
（2）用毫米方格纸画绘UH—IS 曲线和UH—IM 曲线。
（3）记下样品的相关参数b、d、l值，根据在零磁场下，IS=2.00mA时测得的UAC（即Uσ）值计算电导率σ。
（4）确定样品的导电类型（P型还是N型）。
（5）从测试仪电磁铁的线包上查出B 的大小与IM 之间的关系，并求RH （IS=2.00mA，IM=0.600A）、n值和μ值。
【思考题】
（1）霍尔电压是怎样形成的？ 它的极性与磁场和电流方向 （或载子浓度）有什么关系？
（2）如何观察不等位效应？如何消除它？
（3）测量过程中哪些量要保持不变？为什么？
（4）换向开关的作用原理是什么？测量霍尔电压时为什么要接换向开关？
（5）IS 可否用交流电源（不考虑表头情怳）？为什么？
附： 霍尔效应的副效应及其引起的系统误差的消除方法
1.霍尔效应的副效应
上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多，在产生霍尔电压UH 的同时，还伴生有四种副效应，副效应产生的电压叠加在霍尔电压上，造成系统误差。为便于说明，画一简图如图17-4所示。
（1）厄廷豪森 （Eting hausen）效应引起的电势差UE。由于电子实际上并非以同一速度v沿X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UE。可以证明UE ∝IB。容易理解UE 的正负与I和B 的方向有关。
（2）能斯特（Nernst）效应引起的电势差UN。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，该热流也会在3、4点间形成电势差UN。若只考虑接触电阻的差异，则UN 的方向仅与B的方向有关。
（3）里纪—勒杜克（Righi—Leduc）效应产生的电势差UR。在能斯特效应的热扩散电流的载流子由于速度不同，一样具有厄廷豪森效应，又会在3、4点间形成温差电动势UR。UR 的正负仅与B 的方向有关，而与I的方向无关。
（4）不等电势效应引起的电势差U0。由于制造上困难及材料的不均匀性，3、4两点实际上不可能在同一条等势线上。因此，即使未加磁场，当I流过时，3、4两点也会出现电势差U0。U0 的正负只与电流方向I有关，而与B的方向无关。
2.副效应引起的系统误差的消除
综上所述，在确定的磁场B和电流I下，实际测出的电压是UH、UE、UN、UR 和U0这5种电压的代数和。应根据副效应的性质，改变实验条件，尽量削减它们的影响。
上述5种电势差与B和I方向的关系见表17-3。
图17-4 在磁场中的霍尔元件
表17-3 电势差与B和I方向的关系
根据以上分析，这些副效应引起的附加电压的正负与电流或磁场的方向有关，我们可以通过改变电流和磁场的方向，来消除UN、UR、U0，具体做法如下：
（1）给样品加（+B、+I）时，测得3、4两端横向电压为
（2）给样品加（+B、-I）时，测得3、4两端横向电压为
（3）给样品加（-B、-I）时，测得3、4两端横向电压为
（4）给样品加（-B、+I）时，测得3、4两端横向电压为
由以上四式可得
通常UE 比UH 小得多，可以略去不计，因此霍尔电压为
若要消除UE 的影响，可将霍尔片置于恒温槽中，也可将工作电流改为交流电。因为UE 的建立需要一定的时间，而交变电流来回换向，使UE 始终来不及建立。
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