文档介绍：实验5-23用霍尔元件测磁场
霍尔效应是磁电效应的一种。当在载流导体的垂直方向上加上磁场,则在与电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场。这一现象是霍尔于1879年发现的。被称为“霍尔效应”。具有这种效应的不仅是金属,还有半导体、导电流体等。而半导体的霍尔效应比金属强得多。半导体霍耳器件在磁测量中应用广泛。它可用来测量强电流、压力、转速、流量、半导体材料参数等,在自动控制等技术中的应用也越来越多。
【实验目的】
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【仪器器材】
HLZ-2型霍尔元件测螺线管磁场仪、UJ37型电位差计、直流安培表、直流毫安表、
图5-23-1 霍尔效应原理图
直流稳压电源、电阻箱、变阻器等。
【实验原理】
一、霍尔效应原理
霍尔元件是根据霍尔效应原理研制的一种磁电转换元件,是由半导体村料做成的。
如图5-23-1所示,把一块型(载流子是电子)半导体薄片放在垂直于它的磁场中,在薄片的四个侧面、及、,分别引出两对导线,当沿、方向通过电流时,薄片内定向移动的电子将受到洛仑磁力的作用,其大小为
(5-23-1)
式中,为电子的电量,为磁感应强度,为电子的移动速度。
电子受力偏转的结果,使得电荷在、两侧聚积而形成电场,这个电场又给电子一个与反方向的电场力。两侧电荷积累越多,便越大。当=时,电荷的积累达到动态平衡。此时,在薄片、之间建立的电场称为霍尔电场,相应的电势差称为霍尔电压,这种现象即为霍尔效应。设、分别为薄片的宽度和厚度,为电子浓度,当=时
(5-23-2)
又
(5-23-3)
由式(5-23-2)和(5-23-3)可得
(5-23-4)
式中叫做霍尔元件的霍尔系数。
同理,如果霍尔元件是型(载流子是空穴)半导体,则,其中为空穴浓度。因为
和载流子的浓度成反比,而半导体的载流子浓度又远比金属的载流子浓度低,所以采用半导体材料制作霍尔元件,并且将此元件做得很薄(一般),以便获得较高的灵敏度。
如果将霍尔元件放入待测磁场中,测量出和,又已知,则可利用式(5-23-4)计算出磁感应强度,即
(5-23-5)
二、实验中的副效应及消除方法
应当指出:式(5-23-5)是在作了一些假定的理想情形下得到的。实际上测得的并不只是,还包括其它因素带来的附加电压。因而根据式(5-23-5)计算出的磁感应强度也不准确。所以应在实验中用特殊的方法消除这些附加电压。
图5-23-2 霍尔元件的不等位效应
在理想状态下,接通工作电流后,电极、应位于同一等位面,即当磁场不存在时,、两端没有电位差。由于从半导体材料不同部位切割制成的霍尔元件本身不很均匀,性能稍有差异,加上因霍尔电极、焊接在霍尔片两侧时不十分对称,实际上不能保证、处在同一等位面上。如图5-23-2所示。因此实际上≠0,霍尔元件或多或少都存在由于、电位不相等造成的电压。显然,的正负随工作电流的换向而改变,而的换向对的方向没有影响。
假定载流子(电子或空穴)都是以同一速度移动,实际上载流子的速度有大有小,因此速度大于的载流子因,而偏向侧,(参看图5-23-1),速度小于的载流子因而偏向侧,由于高速载流子能量大,使得侧温度升高,于是在、之间产生了温差电压,它的正