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霍尔效应及应用实验论文
学院：物理科学与技术学院 专业：微电子 姓名：石茂林 学号：1042023058
摘要: 霍尔效应是霍尔--德国物理学家于1879年在他的导师罗兰的指导下发现
的这一效应，这一效应在科学实验和工程技术中得到广泛应用。可以用它测量磁场、半导体中载流子的浓度及判别载流子的极性，还可以利用这一原理作成各种霍尔器件，已广泛地应用到各个领域中。近年来霍尔效应得到了重要发展，冯·克利青发现了量子霍尔效应，为此，冯·克利青获得1985年度诺贝尔物理学奖。
关键词: 霍尔效应 副效应 霍尔电压 直流电压高精度的隔离传送和检测
直流电流高精度的隔离检测 监控量越限时准确的隔离报警
引言:利用霍尔效应电压与磁场的线性关系可知，通过测量元件两端的电压，可
以得知空间某区域的磁场分布及其此处的磁感应强度。如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且随着电子技术的发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量和信息处理等方面。
正文：通过自己多次到实验室去体验并做了这些试验，本试验共有4个实验--霍尔效应 、直流电压高精度的隔离传送和检测、直流电流高精度的隔离检测和监控量越限时准确的隔离报警。现在把实验内容及其结论在下面做详细介绍：
一、霍尔效应试验
实验目的：认识霍尔效应并懂得其机理；研究霍尔电压与工作电流的关系；研
究霍尔电压与磁场的关系；了解霍尔效应的副效应及消除方法。
实验原理：霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转元件，如图所示
ZYXBB---B---FeEHIFm+++A+++d+++B+++FebEHIFm---A---VHdbVH
图1.1 霍尔效应磁原理 图1.2 霍尔效应磁电转换 在磁场不太强时，电位差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
VH?RHIBd(1.1)或 VH?KHIB(1.2)式（1.1）中RH称为霍尔系
数，式（1.2）中KH称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv /(mA·T)。如图1.1所
?示，一快长为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—电子所受到的洛仑兹力为
V??????eVB?eHFm?qV?B??eV?B??eVBj(1.3)。即b得 VH?VBb(1.5)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
V?I=nebdV(1.6) 得
VH?Inebd(1.7)将(1.6)式代入(1.5)式得
1IBIB?RH?KHIB11nedd (1.8)式中RH?称为霍尔系数，KH?称为
nened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。 由（1.8）式可知，如果霍尔元件的灵敏度RH已知，测得了控制电流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B?VH。霍尔效应实IKH验电路如图所示。
实验内容及数据处理: 已知参数b=4.0mm, d=0.5mm, l?B'C=3.0mm.
设B?KIM，其中K=6200GS/A；
研究霍尔电压与工作电流霍尔电压与磁场的关系的数据及处理： I M(A) 研究U H--- I H关系 0.300 研究U H--- BH 关系 0.100 0.200 0.300 0.400 I H(mA) 2.00 4.00 6.00 8.00 4.00 -1.57 2.89 -1.45 3.02 1.51 360 2.94 720 -4.46 5.55 -5.55 -5.92 5.88 1440 -4.32 5.91 4.40 1080 -2.89 4.45 -3.01 4.33 U1(mV) -2.21 4.33 U2(mV) 2.23 U4(mV) 2.15 U H mV） -6.71 8.65 -6.49 8.97 6.12 1080 8.23 1080 -4.31 6.72 -4.47 6.46 4.21 1080 -8.84 1.58 -8.95 1.42 U3(mV) -2.14 4.45 2.10 1080 B(Gs) 有基本原理可得：U H-1=(|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4=2.10mA
B1=B0/A* I M=3600*0.300=1080Gs 同理可求其它的值并将结果填在表中。 按作图法要求作出霍尔电压与工作电流霍尔电压与磁场的关系曲线：
UH和IH关系图10UH和B关系图UH(mV)502468IH(mA)UHUH(mV)
86420B(T)0.036UH0.0720.1080.144实验分析及结论:本实验采用数字仪表控制,所以相当精确；不过还是存在不
等势效应、埃廷斯豪森效应和能斯特效应等副反应影响实验结果。 但是该实验总的来说还是验证了霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流之间成线性的关系这一结论。
思考题:若磁场不恰好与霍尔元件的法线一致,对测量结果会有何影响？如何用实验的方法判断B与法线方向是否一致？ 答：若磁场不恰好与霍尔元件的法线一致,则霍尔片通过电流时,载流子的偏转就会偏离法线方向,而使测的电位差不是真的霍尔电位差,从而造成测量的系统误差。朝两个方向偏转霍尔元件的方向，如电位差都减小，说明B与法线方向一致。
二、直流电压高精度的隔离传送和检测实验
实验目的：研究直流电压高精度的隔离传送和检测的方法；测量霍尔电压传感
器隔离传送和检测直流电压的传感精度和线性度。
实验原理：直流电压高精度隔离传送和检测实验电路如图所示。
当被传电压UIN通过R的电流IIN在初级线圈N1产生的磁通量与霍尔电压经放大而形成的次级电流I0通过次级线圈N2所产生的磁通量平衡时，有IIN *N1= I0* N2，因此刺激电流I0将精确的反映出触及电流IIN，I0在W2上的电压降U0将精确反映出初级电压的电压值IIN。
N2
实验内容及数据处理: 霍尔电压传感器隔离传送直流电压的精度线性度测试
Ui/v 0.200 0.500 0.800 1.100 1.400 1.800 UIN/V U0/V △Umax/V S +S -S U0(左)/V 0.199 0.498 0.801 1.100 1.400 U0(右)/V 0.199 0.498 0.801 1.100 1.400 4.000 3.999 5.000 5.001 （表1） 1.800 1.800 1.000 2.000 3.000 1.001 2.000 3.001 0.001 0 0.11% 直流电压精度的隔离检测图2Uo(V)1.510.500.20.50.81.11.41.8Ui(V)Um
实验分析及结论: 从实验所得的表和图可见, 传感器由于应用了霍尔 电压闭环原理, 所以传感精度很高、线性度很好！
思考题:在霍尔电压传感中怎样消除失调电压？
答：合电源开关，先调‘电压调整’使UIN≦5.000V,再调W2使（调比例电位器）使U0= UIN，试运行5 min后断开‘0线’，调W1（调零电位器）使U0为2.000V。