1、大学物理实验讲义实验用霍尔效应法测量磁场实 验 1 6 用 霍 尔 效 应 法 测 量 磁 场在工业生产和科学研究中，经常需要对一些磁性系统或磁性材料进行测量，被测磁场的范15 3围可从 10 15 103 T （特斯拉），测量所用的原理涉及到电磁感应、磁光效应、热磁效应等。 常用的磁场测量方法有核磁共振法、电磁感应法、霍尔效应法、磁光效应法、超导量子干涉器 件法等近十种。一般地，霍尔效应法用于测量 10 4 10T 的磁场。此法结构较简单，灵敏度高，探头体 积小、测量方便、在霍尔器件的温度范围内有较好的稳定性。但霍尔电压和内阻存在一定的温 度系数，并受输入电流的影响，所以测量精度较低。用半导
2、体材料制成的霍尔器件，在磁场作用下会出现显着的霍尔效应，可用来测量磁场、 霍尔系数、 判断半导体材料的导电类型 （ N 型或 P 型）、确定载流子 （作定向运动的带电粒子） 浓度和迁移率等参数。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，而且利用 该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量电测、自动控制和信息处理等方面，如测量强电流、 压力、转速等，在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有 更为广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对于日后的工作将有益处。【实验目的】1.了解霍尔效应产生的机理。2.掌握用霍尔器件测量磁场的原理和基本方法。3.学习消除伴随霍尔
3、效应的几种副效应对测量结果影响的方法。4.研究通电长直螺线管内轴向磁场的分布。【仪器用具】TH-H/S 型霍尔效应 /螺线管磁场测试仪、 TH-S 型螺线管磁场实验仪。【实验原理】1.霍尔效应产生的机理置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产 生一附加的横向电场，载流体的两侧会产生一电位差，这个现象是美国霍普斯金大学二年级研 究生霍尔于 1879 年发现的， 后被称为霍尔效应， 所产生的电位差称为霍尔电压。 特别是在半导 体样品中，霍尔效应更加明显。霍尔电压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（电子和空穴）被约束在固体
4、材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电 荷的积累，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。对于图 1-1 （a）所示的N型半导体试样，若在X方向通以电流Is,在Z方向加磁场 B，试样中载流子（电子）将受到洛仑兹力大小为： F g evB （ 1-1 ）则在Y方向，在试样 A、A电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场一一霍尔电场。电场的指向取决于试样的导电类型，对 N型半导体试样，霍尔电场逆 Y方向，P型半导体试样，霍尔电场则沿 Y方向，即有：当Is沿X轴正向、B沿Z轴正向、Eh逆Y正方向的试样是 N型半导体。当Is沿X轴正向、B沿Z轴正向、Eh沿Y正方向的试样是 P型半导体
5、。显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受到的横向电场力 Fe eEH与洛仑兹力Fg evB大小相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有:eEH evB （ 1-2）其中Eh为霍尔电场，v是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：Is nevbd （ 1-3）而霍尔电压VH EH b，这样，由（1-2）、（ 1-3）式可求得：1 I SB ISBVh EHb , Rh 十（1-4）ne d d即霍尔电压 VH （ A、A电极之间的电压）与 ISB乘积成正比，与试样厚度成反比，比1例系数Rh 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参
6、数，只要测岀 Vh （伏）ne以及知道Is （安八 B （高斯）和d （厘米），就可按照下式计算 Rh （厘米3/库仑）。Rh V 108 （1-5）I s B上式中的10是由于磁感应强度 B用电磁单位（高斯），而其他各量均采用 CGS实用单位 而引入。根据Rh可进一步确定以下参数：1.由Rh的符号（或霍尔电压的正、负）判断样品的导电类型判断的方法是按照图 1-1所示的Is和B的方向，若测得的 VH VAA 0，（即点A的电位低于点A的电位），则 Rh为负，样品属N型，反之则为P型2.由Rh求载流子浓度n即n 厂。应该指岀，这个关系式是假定所有的载流子都具有相同的漂移速度得到的，Rh |e严格
7、一点来说，考虑到载流子的统计分布，需引入 3 /8的修正因子（本实验不作严格要求,有兴趣的读者可参阅黄昆、谢希德着半导体物理学）。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n及迁移率 之间有如下关系ne (1-6)即 Rh ，通过实验测岀 值即可求岀 。综上所述，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率 高、电阻率 亦较高）的材料。因 Rh ，就金属导体而言， 和 均很低，而不良导体 虽高，但 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 高， 适中，是制造霍尔器件较理想的材料， 由于电子的迁移率比空穴的迁移率大， 所以霍尔器件都采用 N型材
8、料，其次，霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔器件的输岀电压较片状 的要高得多。对于成品的霍尔器件，其 Rh和厚度d已知，所以实用上采用：VH K H 1 S B ( 1-8)式中，Kh称为霍尔器件的灵敏度（其值由制造厂家给出）。它表示该器件在单位工作电流和 单位磁感应强度下输岀的霍尔电压，一般要求霍尔器件的灵敏度 Kh越大越好。（1-8）中的单位取Is为mA , VH的单位用mV, B的单位用kG （千高斯）或0.1T （特斯拉），这样， Kh 的单位为 mV/mA kG或是mV/mA 0.1T。由（1-8）式有：由（1-9）式可知，如果知道了霍尔器件的灵敏度 Kh，用仪器分别
9、测岀控制电流 I s和霍尔电压Vh，就可以算岀磁场 B的大小，这就是用霍尔效应测磁场的原理。12 14由于霍尔效应的建立需要的时间很短（约在 10 10 s内），因此，使用霍尔器件时可以用直流电或交流电，若控制电流 IS用交流电Is I so Sin t，贝0Vh K h I s B K h B I S0 sin t （1-10）所得的霍尔电压也是交变的。这时的 Is和VH均应理解为有效值。2.霍尔电压Vh的测量方法应该说明，在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的 A、A两电极之间的电压并不等于真实的 VH值，而是包含着各种副效应引起的附加电压，因此，必须设法消除，根据副效应
10、产生的机理可知，采用电流和磁场换向的对称测量法，基本上能够把副效 应的影响从测量的结果中消除（参阅附录），具体做法是保持 Is和B （即IM ）的大小不变，并在设定电流和磁场的正、反方向后，依次测量由下列四组不同方向的 Is和B组合的A、A两点之间的电压 y、V2、V3、V4，即:+ I s + B V|+ I s - B V2-I s - B V3-I s + B V4然后求上述四组测量数据 V1、V2、V3、V4的代数平均值，可得：1Vh （V1 V2 V3 V4） （1-11）4根据对称测量法求得的 VH，虽然还存在着个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小。 可以忽略不计。（1-9 ）
11、、（ 1-11）两式就是本实验用来测量磁感应强度的依据。3.电导率 的测量可以通过图1-1所示的A、C （或A、C ）电极进行测量，设 A、C间的距 离为I，样品的横截面积为 S bd，流经样品的电流为I S，在零磁场下，若测得A、C （ A、C ）间的电位差为 V（ Vac ），则可以由下式求得4.载流长直螺线管内的磁感应强度 螺线管是由绕在圆柱面上的导线构成的，对于密绕 的螺线管，可以看成是一列有共同轴线的圆形线圈 的并列组合，因此，一个载流长直螺线管轴线上某 点的磁感应强度，可以从对各圆形电流在轴线上该 点所产生的磁感应强度进行积分求和得到：B0 0 NI M （ 1-13 ）式中， 0
12、为真空磁导率， N为螺线管单位长度的线圈匝数（其值已在仪器上标明），|M为线圈 的励磁电流。由图1-2所示的长直螺线管的磁力线分布可知，其内腔中部磁力线是平行于轴线的直线系， 图1-2长直螺线管的磁力线分布图 渐近两端口时，这些直线变为从两端口离散的曲线，说明其内部的磁场是均匀的，仅在靠近两 端口处，才呈现明显的不均匀性，根据理论计算，长直螺线管一端的磁感应强度为内腔中部磁 感应强度的1/2，即：1 1B端点 尹中点on|m （ 1-14）对于一个有限长的螺线管，其内轴线上任一点 p处的磁感应强度为：Bp 0 NI M （cos 2 cos 1） （ 1-15）2当螺线管的长度L和直径D相比有
13、L D时，1 ， 2 ，则有Bp NI m （ 1-16）这时，螺线管内部磁场的计算与无限长螺线管情况一致。在实验装置中，霍尔器件被封装在一个黑色塑料保护壳内并连接在一金属探杆上，可沿螺线管轴线移动（霍尔器件平面与磁场方向垂直），转动霍尔器件探杆支架的旋纽 X1、X2，可改变霍尔器件在磁场中的位置，以测定通电长直螺线管内轴向各处的磁感应强度。【仪器介绍】1.TH-S型螺线管磁场实验仪TH-S型螺线管磁场实验仪结构如图 1-3所示，主要由三部分组成N （匝/米）已经标（1）长直螺线管螺线管由漆包铜线密绕而成的，管的长度 L 28cm，单位长度的线圈匝数注在实验仪上。（2）霍尔器件和调节机构霍尔器
14、件如图1-4所示，它有两对电极， A、A电 极用来测量霍尔电压 VH , D、D电极为工作电流电 极，两对电极用四线扁平线经探杆引出，分别接到实验 仪的Vh输岀开关和I s换向开关处。霍尔器件的灵敏度Kh与载流子浓度成反比，因半 导体材料的载流子浓度随温度变化而变化， 故Kh与温度有关。实验仪上给岀了该霍尔器件在 15C时的Kh值。如图1-3所示，探杆固定在二维（ X、丫方向）调节支架上，其中 Y方向调节支架通过旋纽 Y调节图1-4霍尔器件示意图探杆中心轴线与螺线管内孔轴线的位置，应使之重合。X方向调节支架通过旋纽 Xi、X2调节探杆的轴向位置。二维支架上设有 Xi、X2及Y测距尺，用来指示探
15、杆的轴向及纵向位置，一般情况下，可不调节 Y旋纽。实验时如想使霍尔探头从螺线管的右端移至左端，为调节顺手，应先调节 X1旋纽，使调节支架Xi的测距尺读数 Xi从0.0-14.0C m,再调节X2旋纽，使调节支架 X2的测距尺读数从 0.0-14.0C m,反之，要使探头从螺线管左端移至右端，应先调节 X2，读数从14.0cm 0.0，再调节Xi，读数从14.0c m 0.0。霍尔探头位于螺线管的右端、中心、左端时，测距尺指示为位置右端中心左端测距尺读数(cm)014.014.00014.0(3)换向开关实验仪上有工作电流Is及励磁电流lM换向开关、霍尔电压 VH输岀开关，三组开关与对 应的霍尔
16、器件及螺线管之间的连线均已经接好。2.TH-H/S型霍尔效应/螺线管磁场测试仪TH-H/S型霍尔效应/螺线管磁场测试仪面板图如图 1-5所示： (1) I s输岀图1-5 TH-H/S型霍尔效应/螺线管磁场测试仪面板图霍尔器件工作电流源，输岀电流 0 10mA，通过Is调节旋纽连续调节。(2) I M输岀螺线管励磁电流源，输岀电流 0 1A,通过| M调节旋纽连续调节。上述两组恒流源读数可通过“测量选择”按键共用一只 3位半的LED数字电流表显示，按键按键按下时是测量| M，弹起时是测量I S。(3)直流数字电流表3位半的LED数字毫伏表，供测量霍尔电压用，电压表零位可通过面板左下方调零电位器
17、 旋纽进行校正。【实验内容与要求】1.霍尔器件输出特性测量(1) 将测试仪面板上的“ Is输岀”、“ I M输岀”和“ VH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连接， 如误将测试仪的励磁电源“ I M输出”接到实验仪的“I s 输入”或“ VH输出”处，则将损坏霍尔器件。(2)仪器开机前应将“ Is调节”和“ Im调节”旋纽逆时钟方向旋到底，使其输岀电流趋于 最小状态，并检查电路确定无误后方可开启测试仪的电源。另外，实验完毕关机前，应将“ Is调节”和“ Im调节”旋纽逆时钟方向旋到底，使其输岀电流趋于最小状态，才 能关机。(3) “Is调节”和“ I M调节”分别用来控制样
18、品的工作电流 Is和励磁电流Im的大小，其 电流强度随旋纽顺时钟方向转动而增加，当“测量选择”按键按下时，仪器面板上的数字电流表显示的是| M的大小，当“测量选择”按键弹起时，仪器面板上的数字电流表显 示的是I s的大小。(4) 转动霍尔器件探杆支架的旋纽 Xi、X2，慢慢将霍尔器件移到螺线管的中心位置以备测 量。(5) 记录测试仪面板右上角的 N、Kh值。(6)测绘Vh - Is曲线取I m =0.600A，并在测试过程中保持不变， 依次按照表1-1所列数据调节I s，用对称测量法(详见附录)测岀相应的 V、V2、Va、V4值，记入表1-1，绘制Vh - Is曲线。表1-1测绘VH - ls
19、曲线I s (mA)V1 (mV)V2 (mV)V3 (mV)V4 (mV)V V1 V2 V3 V4 ( mV)+ I s , + B+ Is，-B-Is，-B-Is，+BVh (mV)41.002.003.004.005.006.007.00备注I m =0.600A(7)测绘Vh - Im曲线取ls=8.00mA,并在测试过程中保持不变， 依次按照表1-2所列数据调节Im，用对称测量法测岀相应的 V、V2、V3、V4值，记入表1-2，绘制Vh - Im曲线。表1-2测绘VH - Im曲线Im (A)V1 ( mV)V2 (mV)V3 ( mV)V4 (mV)x/ V1 V2 V3 V4+
20、 1 s , + B+ 1 s，- B-1 s， - B-1 s， + BV h (mV)40.1000.2000.3000.4000.5000.600备注l S =8.00 mA2.测绘螺线管内轴线上磁感应强度分布( B- X曲线)取l s =8.00 mA, l M =0.600A，并在测试过程中保持不变，(1)以距离螺线管两端口等远的中心位置为坐标原点，探头离中心位置X 14 X1 X2，调节旋纽 X1 X2，使测距尺读数 X1 X2 0.0cm先调节 X1 旋纽，保持 X2 =0.0cm，使 X1 停留在 0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、5.0、8.0、11.0、 14.0cm
21、等读数处，再调节 X2旋纽，保持 X1 =14.0cm，使X2停留在3.0、6.0、9.0、12.0、12.5、 13.0、13.5、14.0cm等读数处，按照对称测量法测岀各相应位置的 V1、V2、V3、V4值，并计算相对应的VH及B值，记入表1-3。表1-3测绘螺线管内轴线上磁感应强度分布( B- X曲线)X1 (cm)X2 (cm)X (cm)V1 (mV)V2 (mV)V3(mV)V4 (mV)V (mV)B (KGS)+ 1 s，+ B+ 1 s，-B-1 s，- B-1 s，+ B-0.50.00.00.00.50.01.00.01.50.02.00.05.00.08.00.011
22、.00.014.00.014.03.014.06.014.09.014.012.014.012.514.013.014.013.514.014.014.014.51.测绘（B - X曲线）时，螺线管两端口附近磁场变化大，应多测几点；备注2.测量过程中保持I s =8.00 mA、I m =0.600A 不变。（2） 绘制B-X曲线，验证螺线管端口的磁感应强度为中心位置磁感应强度的 1/2 （可不考虑温度对VH的修正）。（3） 将螺线管中心的 B值与理论值进行比较，求出相对误差，分析误差原因。【注意事项】1.霍尔器件性脆易碎，电极甚细易断，实验中调节探头轴向位置时，要缓慢、细心地转动有 关旋纽，
23、探头不得调出螺线管外面，严禁用手或其他物件去触摸探头，以防损坏霍尔器件。2.测量前，应将测试仪上的“ Is调节”和“ I m调节”旋纽置于零位（逆时钟方向旋到底），3.正确连接实验线路， 注意：决不允许将测试仪的励磁电源 “ Im输岀”误接到实验仪的 “ Is输入”或“ Vh输岀”处，否则，一旦通电，霍尔器件即遭损坏！4.通过霍尔器件的工作电流 |S10.00mA （通常设定在 8.00mA以下），I M 0.800A，I s过大将损坏霍尔器件。5.螺线管通电时间过长将导致螺线管发热而影响测量结果，实验时每测完一组数据后可断开 电源片刻再接着测量。【思考问题】课前预习题1.什么叫霍尔效应？为什
24、么此效应在半导体中特别明显？2.如何根据Is、B和Vh的方向，判定霍尔器件是 n型半导体还是 P型半导体？3.怎样利用霍尔效应测定磁场？4.如何测定霍尔器件的灵敏度 K H ？5.若磁场B不恰好与霍尔器件的法线方向一致，对测量结果有何影响？课后思考题6.霍尔器件中的副效应是如何影响实验结果的？如何消除副效应的影响？7.怎样用霍尔器件测量交变磁场？试画出实验线路图并写出测试方法。8.利用霍尔器件能测间隙磁场吗？若霍尔器件的几何尺寸为 4 8mm2，即控制电流极“ 1”、“ 2”两端的距离为 8mm，霍尔电压极“ 3”、“ 4”两端的距离为 4mm，问用它能否测量截面积为5 5mm气隙的磁场？【附
25、录】霍尔器件中的副效应及其消除方法实际测量霍尔电压 Vh时，它一般总和其它一些副效应的电位差迭加在一起，使测量结果 存在系统误差。这些副效应的电位差主要有（1） 不等位电压V0如图1-6所示，由于霍尔器件的 A、A两电极的位置不 才在一个理想的等位面上， 因此，即使不加磁场， 只要有电流Is通过，就有电压 V0 lSr产生，r为A、A所在的两等位面 一受昱轉 之间的电阻，结果在测量 VH时，就叠加了 V0 ,使得VH值偏 大（当V。与VH同号）或偏小（当V。与VH异号），显然，VH J的符号取决于Is和B两者的方向，而 V。只与Is图1-6不等位电压产生示意图的方向有关，因此可以通过改变 |s
26、的方向予以消除。（2） 温差电效应引起的附加电压（爱廷豪森电压） VE爱廷豪森效应是一种电流磁效应。如图 1-7所示， 由于构成电流的载流子速度不同，若速度为 V的载流子 所受到的洛伦兹力与霍尔电场的作用力刚好抵消， 则速 度大于或小于V的载流子在电场和磁场作用下，将各自 朝对立面偏转，因此霍尔器件的 A、A图1-7爱廷豪森电压产生示意图电极两侧，一边聚集的快速载流子较多，温度较高，一 边聚集的慢速载流子较多，温度较低，从而在 Y方向引olTIX一 J En图1-8能斯脱电压产生示意图 IT一 JI1.IX炉1图1-9里纪-勒杜克电压产生示意图起温差TA TA，由此产生温差电效应， 在A、A两
27、电 极上引入附加电压 V，且 V IsB，Ve的正负与Is、 B的方向关系跟Vh是相同的，因此不能用改变Is和B 的方向的办法予以消除，但其引入的误差很小，可以忽 略。（3）热磁效应直接引起的附加电压（能斯脱电压） VN如图1-8所示，由于霍尔器件两端电流引线的接触电 阻不等，通电后在两接点处将产生不同的焦耳热，导致在 X方向有温度梯度，引起载流子沿梯度方向扩散而产生 热扩散电流，热流 Q在Z方向磁场的作用下，类似于霍 尔效应在丫方向产生一附加电场 N，相应的附加电压Vn QB，称为能斯脱电压，而 Vn的符号只与B的方向有关。与Is的方向无关，因此可通过改变B的方向予以消除。（4）里纪一勒杜克
28、电压 Vrl里纪一勒杜克效应也属于热磁效应。由能斯脱效应产生的电流也有爱廷豪森效应，由此而产生的附加电压称为里纪一勒杜克电压 VRL。如图1-9所示，温度梯度 TA TA ,由此引入的附加电压Vrl QB，Vrl的符号只与B的方向有关，亦能消除。综上所述，实验中测得的 A、A之间的电压除VH外还包含有V0、VE、Vn和VRL各电 压的代数和，其中 Vo、Vn和VRL均可通过Is和B换向对称测量法予以消除。设 Is和B的方 向均为正向时，测得 A、A之间电压记为V1，即：当取（+ Is，+B ）时，V Vh V。 Ve Vn Vrl将B换向，而Is的方向不变，测得的电压记为 V，此时Vh、Ve、Vn和Vrl均改号而V。 符号不变，即：当取（+ Is，- B）时，V2VhVoVeVnV RL同理，按照上述分析,当取（-Is，- B）时，V3VhVoVe VNVrl当取（-Is，+B）时，V4VhVoVeVnV RL求以上四组数据V1、V2、V3 和 V4的代数平均值,可得：在直流电情况下，由于 Ve的极性始终同Vh 致，故无法消去，但在非大电流，非强磁场 下，VH VE ,因此VE可忽略不计，所以霍尔电压为：
