实验四集成霍耳传感器的特性测量与应用.pdfVIP

实验四 集成霍耳传感器的特性测量与应用 1879 年，霍耳（E.H. Hall ）在一个用来判断导体中载流子符号的实验中发现了一种电 磁现象，即霍耳效应．后来人们发现半导体、导电流体等也有这种效应，而且半导体的霍 耳效应比金属强很多．基于霍耳效应测定的霍耳系数，可用于确定半导体材料的导电类型、 载流子浓度及迁移率等参数．导电流体中的霍耳效应也是目前正在研究中的“磁流体发电” 的理论基础．近 来，霍耳效应实验不断有新发现．1980 ，德国物理学家克利芩（K.von Klitzing ）在低温和强磁场下发现了量子霍耳效应，这是近年来凝聚态物理领域最重要的发 现之一．克利芩也因这一重要发现而获得1985 年的诺贝尔物理学奖．目前对量子霍耳效应 仍在进行更深入的实验和理论研究，并已取得了重要应用．例如用于确定电阻的自然基准， 可以极为精确地测定光谱精细结构常数．近三十多 以来，基于霍耳效应用具有高载流子 迁移率的半导体材料制成的霍耳传感器的制造技术和应用得到了全面发展．新的制造技术， 如集成电路技术和分子束外延技术的应用，使得霍耳传感器具有高的可靠性、高的灵敏度 和良好的温度稳定性，而在汽车、电力电子技术、无刷直流电机、电能管理、遥控、遥测、 计算机数据采集以及医疗仪器上形成了广泛的产业性应用． 【实验目的】 1．了解霍耳效应原理和集成霍耳传感器的工作原理； 2 ．通过测量螺线管励磁电流与集成霍耳传感器输出电压的关系，证明霍耳电势差与磁 感应强度成正比； 3 ．用通电螺线管中心点处磁感应强度的理论计算值校准集成霍耳传感器的灵敏度； 4 ．测量螺线管内磁感应强度沿螺线管中轴线的分布，并与相应的理论曲线比较． 【实验原理】 1 霍耳效应 将一导电体（金属或半导体）薄片放在磁 中，并使薄片平面垂直于磁 方向 （如图 1 所示）．当薄片纵向端面有电流I 流过时，在与电流I 和磁 B 垂直的薄片横向端面a、b 间就会产生一电势差，这种现象称为霍耳效应（Hall effect ），所产生的电势差叫做霍耳电 势差或霍耳电压，用U 表示． H 霍耳效应是由运动电荷 （载流子）在磁 中受到洛伦兹力的作用引起的．洛伦兹力f B 使载流子发生偏转，在薄片横向端面上聚积电荷形成不断增大的横向电 EH （称霍耳电 B B - a - - - - - - - - - - - + a + + + + + + + + + + + I E H + f E v I I v - f E I EH f B f B + b + + + + + + + + + + + - b - - - - - - - - - - - 图1 霍耳效应原理 33 ），从而使载流子又受到一个与洛伦兹力f B 反向的电场力f E ．直到f E 与f B 相等时，载流 子不再发生偏转，在a 、b 间形成了一个稳定的霍耳电 ．这时，两横向端面a 、b 间的霍 耳电压就达到一个稳定数值U ．端面a 、b 间霍耳电压的符号与载流子电荷的正负有关．因 H 此，通过测量霍耳电压的正负，即可判断半导体材料的导电类型． 实验表明，在外磁 不太强时，霍耳电压U 与工作电流I 和磁感应强度B 成正比，与 H 薄片厚度d 成反比，即 I B