【傳感器原理及應(yīng)用-報告】 實(shí)驗(yàn)十二 霍爾傳感器特性研究及其應(yīng)用

1、實(shí)驗(yàn)十二 霍爾傳感器特性研究及其應(yīng)用置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加的橫向電場。這個現(xiàn)象是霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)不僅是測定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，而且利用該效應(yīng)制成的霍爾傳感器已被廣泛應(yīng)用于非電量電測、自動控制和信息處理?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饣魻栃?yīng)原理及以及研究霍爾傳感器的特性。學(xué)習(xí)用“對稱測量法”消除霍爾傳感器副效應(yīng)的影響。學(xué)會測定霍爾傳感器的導(dǎo)電類型，會計算載流子濃度和遷移率。【實(shí)驗(yàn)原理】霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被束縛在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)

2、就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的積累。從而形成附加的橫向電場。對于圖12-1所示的霍爾傳感器，若在x方向通以電流，在Z方向加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，則在Y方向即A、A/兩側(cè)就開始聚集異號電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場。電場的指向決定于材料的導(dǎo)電類型。顯然，該電場阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面移動，當(dāng)載流子所受的橫向電場力eEH和洛侖茲力evB相等時，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡，故有e EH =e = e v B (12-1)其中EH稱為霍爾電場，v是載流子在 電流方向上的平均漂移速度。 設(shè)霍爾傳感器的寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，則I = n e v b d (12-2)由（12-1）.（1

3、2-2）兩式可得 （12-3）z y IS x A A + + + + + + + + + i -e +e iIS b EH I FB EH FB d _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + C L A C A圖12-1. 霍爾效應(yīng)原理圖即霍爾電壓（點(diǎn)A與A/之間的電壓）與I、B的乘積成正比，與樣品厚度d成反比。比例系數(shù)稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)，其大小是由材料本身的性質(zhì)決定的。只要測出(V),以及知道、和d（m）可按下式計算。 （12-4）根據(jù)可進(jìn)一步確定以下參數(shù)：1. 由的符號（或霍爾電壓的正負(fù)）判斷樣品的導(dǎo)電類型。判斷的方法是按圖12-1所示的I

4、和B的方向，若測得的0 (即點(diǎn)A的電位低于點(diǎn)A/的電位)則RH為負(fù)，樣品屬N型，反之則為P型。2. 由RH求載流子濃度n (1/m3) （12-3）式中n =是假定所有載流子都具有相同的漂移速度而得到的，考慮載流子的速度統(tǒng)計分布，需引入3的修正因子。即n = （12-5）3. 求電導(dǎo)率(1/.m) 電導(dǎo)率可以通過圖12-1所示的A、C電極進(jìn)行測量，設(shè)A、C電極間的距離為L，樣品的橫截面積為S=b.d, 流經(jīng)樣品的電流為I，在零磁場下，若測得A、C之間的電位差，可由下式求電導(dǎo)率 = （12-6）4.求載流子的遷移率(m2/C)載流子的遷移率與電導(dǎo)率及載流子濃度n之間有如下關(guān)系= （12-7）根據(jù)

5、上述可知，要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是要選擇霍爾系數(shù)大（即載流子遷移率高，電阻率高）的材料。就金屬導(dǎo)體而言，遷移率及電阻率均較小，而不良導(dǎo)體電阻率雖高，但遷移率極小，不能用來制造霍爾器件。半導(dǎo)體載流子遷移率高，電阻率適中，是制造霍爾元件較理想的材料。由于電子的遷移率比空穴大，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料。又由于霍爾電壓的大小與材料的厚度成反比，所以霍爾元件一般較薄。就某一霍爾原件而言，其厚度是一定的，實(shí)用中引入KH表示霍爾器件的靈敏度，KH=1/ned=RH/d ,單位可取V/(A.T)。實(shí)驗(yàn)中由于樣品的材料與電極的材料不同，電極與樣品間不是理想的歐姆接觸，載流子運(yùn)動是按一定的統(tǒng)計分布等原因

6、，所以在測量中會有熱電效應(yīng)、溫差效應(yīng)和由此產(chǎn)生的其它副效應(yīng)。（一）熱電效應(yīng)：當(dāng)電流流過樣品時，由于樣品兩端的電極和樣品的接觸電阻不同，因而在樣品的兩端將產(chǎn)生不同的焦耳熱，使樣品兩端溫度不同，因而有熱流Q流過樣品，Q與電流的方向無關(guān)。（二）溫差效應(yīng)：由于樣品兩端的電極與樣品接觸的溫度不同，就會在樣品的兩側(cè)A、A/(如圖12-1所示)有電位差產(chǎn)生（另外兩電極由溫差所產(chǎn)生的電位差與霍爾電壓無關(guān)）。這一電位差和溫度成正比。（三）其它副效應(yīng)：厄挺好森效應(yīng)（Etting Shausen Effect）由于載流子速度的統(tǒng)計分布性，高于或低于平均速度的載流子將在洛侖茲力和霍爾電場力的作用下，沿y軸向相反的兩側(cè)

7、不斷偏轉(zhuǎn)，向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)的載流子的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使兩側(cè)溫度不同，造成樣品y方向上的溫差，這個溫差在y方向上產(chǎn)生溫差電動勢VE，且VE I BVE與IB成正比，其符號與電流和磁場的方向有關(guān)，在測量VH時，就會有VE迭加上去。能斯托效應(yīng)（Nernst Effect）由于兩個電流電極與樣品接觸電阻不同，樣品電流在兩極將產(chǎn)生不同的焦耳熱，引起兩極間的溫差電動勢。此電動勢又產(chǎn)生溫差電流，稱為熱電流Q，熱電流在磁場的作用下，也發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在Y方向上產(chǎn)生附加的電位差VN, 且VN Q B 因熱電流與樣品電流無關(guān)，所以VN只與磁場B有關(guān)。里紀(jì)勒杜可效應(yīng)（Righi Leduo Effect）上述熱電流除了產(chǎn)生

8、電位差VN外，在y方向上還引起樣品兩側(cè)的溫差，這個溫差又在y方向上產(chǎn)生溫差電動勢VR, 且VR Q B VR只與磁場B有關(guān)，而與樣品電流無關(guān)。不等位電位差VO制作樣品時，很難將電極A、A/焊接在同一等位面上，這樣當(dāng)樣品有電流流過時，即使不加電場，也會在電極A、A/之間產(chǎn)生一個電位差V0, 且V0 = I RR為所在等位面A、A/之間的電阻。這一電位差稱為不等位面電位差，只與樣品電流有關(guān)，而與磁場無關(guān)。以上討論是假定樣品周圍的溫度是均勻的，如果樣品周圍的溫度不均勻，還會附加新的效應(yīng)。通過以上的討論可以看出，四個副效應(yīng)都迭加在霍爾電壓上，使霍爾電壓很難測準(zhǔn)。有時副效應(yīng)產(chǎn)生的電位差甚至大于霍爾電壓。

9、VN、VR、V0都與電流和磁場的方向有關(guān)，我們可以通過改變電流和磁場的方向把VN、VR、V0從計算結(jié)果中消去。但VE隨磁場和電流的方向改變而改變，故不能用此方法消除VE，但由于引起的誤差非常小（1%），可以不考慮。實(shí)驗(yàn)時，通過改變電流和磁場的方向，可測的下列四組數(shù)據(jù)：當(dāng)（+B,+I）時，測得的電位差用V+ +表示： V+=VHVEVNVRV0 當(dāng)（+B,-I）時，測得的電位差用V+ -表示： V+-=VHVEVNVRV當(dāng)（-B,-I）時，測得的電位差用V- -表示： V-=VHVEVNVRV當(dāng)（-B,+I）時，測得的電位差用V- +表示： V-+=VHVEVNVRV采用如下辦法測得 （V+ +

10、V+ -V- -V- +）/4=VEVH由于VHVE,所以 VH = (V+ + V+ -V- -V- +)/4 (12-8)實(shí)驗(yàn)時，測出V+ + 、V+ -、V- -、V- +的值，代入上式，即可求出霍爾電壓?！緦?shí)驗(yàn)儀器和裝置】實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)臺和測試儀兩部分組成實(shí)驗(yàn)臺包括：1. 電磁鐵：規(guī)格為0.3T/A,繞向?yàn)轫槙r針（操作者面對實(shí)驗(yàn)臺），根據(jù)勵磁電流的大小和方向可確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值和方向。2. 樣品和樣品架：樣品材料為半導(dǎo)體硅，厚度d = 3.410-4 m, 寬度b = 4.010-3 m, A、C電極之間的距離L = 4.010-3m.3. 勵磁電流IM和樣品工作電流IS的換向開關(guān)，

11、測量選擇VH和V(即VAC)的開關(guān)。測試儀包括：1. 0.8A勵磁電源，010mA的樣品工作電源，兩組電源均連續(xù)可調(diào)，用同一數(shù)字表測量，按鍵測IM ，放鍵測IS 。2. 020mV數(shù)字電壓表，用來測量VH和V?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 取IM=0.500A保持不變，取IS分別為1.00、2.00、6.00mA，以VH20mV為準(zhǔn)，并分別改變IM和IS的方向測得四組數(shù)據(jù)記入表12-1，用（12-8）式求出各，作IS曲線，求出斜率代入（12-4）式計算RH,注意該式中B與IM有關(guān)，B等于電磁鐵規(guī)格乘以IM【數(shù)據(jù)處理】表12-1 VHIS變化關(guān)系 IM= 0.5A; 電磁鐵規(guī)格0.31T/A; B= 0.1

12、55TIs/mAV+/mvV+-/mvV-/mvV-+/mvVh/mv1.00-2.332.52-2.572.34-2.4252.00-4.495.05-5.044.50-4.863.00-7.237.77-7.767.25-7.3054.00-9.3910.10-9.6910.00-9.4755.00-117512.62-12.6111.76-12.1856.00-12.0813.13-13.1412.08-12.6由圖像可得曲線斜率為P1 -1.75 V/A霍爾系數(shù)RHP1 -0.00391 m3/C2. 取IS=5.00mA保持不變，取IM分別為0.100、0.2000.600A,以VH

13、20mV為準(zhǔn)，并分別改變IM和IS的方向測得四組數(shù)據(jù)記入表12-2，同表12-1處理數(shù)據(jù)，作VHB曲線，求出斜率代入（12-4）式求出RH。分析兩曲線特性。表12-2 VHB變化關(guān)系 IS= 5 mA Im/AB/TV+/mvV+-/mvV-/mvV-+/mvVh/mv0.1000.031-2.032.87-2.882.02-2.450.2000.062-3.214.09-4.083.23-4.850.3000.093-5.055.92-5.915.06-7.40.4000.124-6.887.76-7.756.90-9.7450.5000.155-8.719.58-9.578.72-12.1

14、50.6000.186-10.5611.42-11.4110.58-13. 75由圖像可得曲線斜率為P2 -64.52mV/T霍爾系數(shù)RHP2 -0.00402 m3/C3. 在零磁場下，取IS0.10mA（必須小于0.15mA，以免VH過大，毫伏表超量程），測量(即)。 -12.03 mV4. (設(shè)計內(nèi)容)利用霍爾傳感器的橫、縱移動標(biāo)尺，設(shè)計一個確定霍爾傳感器在最大磁場強(qiáng)度位置的方法，測出霍爾傳感器在最大磁場位置的橫、縱移動標(biāo)尺具體數(shù)值。得磁場在橫軸坐標(biāo)為43.4mm40.00mm處最大。保持橫軸坐標(biāo)為43.4mm-40.00mm中的一點(diǎn)，測得磁場在縱軸坐標(biāo)為19.4mm處值最大，因此，最大磁場位置的橫坐標(biāo)為43.4mm-40.00mm，縱坐標(biāo)為19.4mm?！咀⒁馐马?xiàng)】IS和IM開關(guān)倒向上方為正，反止為負(fù)。測霍爾電壓VH時， 中間開關(guān)一定要倒向上方測VH。測A、C之間的電位差V時，中間開關(guān)才可倒向下方，（電流一定取0.1mA，零磁場即斷開IM開關(guān)）但測完后一定要把該開關(guān)再倒向上方，發(fā)生誤操作就會燒壞霍爾傳感器。計算各數(shù)據(jù)時要統(tǒng)一使用講義中規(guī)定的單位，并注意單位的換算和表達(dá)。由于勵磁電流較大，線圈易發(fā)熱，測完后要立即把勵磁電流調(diào)到零?！舅伎碱}】如何用霍爾傳感器制作磁場強(qiáng)度測量儀，寫出制作方法和在測量中應(yīng)注意什么事項(xiàng)。 答：由于霍爾電壓