T-霍尔效应原理及应用
霍尔效应(含数据处理样版)
TH-H型霍尔效应实验组合仪霍尔效应及其应用置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。
随着半导体物理学的迅速发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。
通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。
若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。
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（高达10GHz）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。
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，将有更广阔的应用前景。
了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。
一、实验目的1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。
2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量并绘制试样的V H－I S和V H－I M曲线。
TH-H 型霍尔效应实验组合仪3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
二、实验原理霍尔效应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（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。
对于图（1）（a ）所示的N 型半导体试样，若在X 方向的电极D 、E 上通以电流Is ，在Z 方向加磁场B ，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力： （1）其中e 为载流子（电子）电量， 为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B 为磁感应强度。
B v g e F VTH-H 型霍尔效应实验组合仪（N型） 0 (Y)E （P型）0 (Y)E H H (X)、B（Z） Is <>（a ） （b ）图(1) 样品示意图无论载流子是正电荷还是负电荷，F g 的方向均沿Y 方向，在此力的作用下，载流子发生便移，则在Y 方向即试样A 、A ´电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样A 、A ´两侧产生一个电位差V H ，形成相应的附加电场E —霍尔电场，相应的电压V H 称为霍尔电压，电极A 、A ´称为霍尔电极。
实验20 霍尔效应
实验20 霍尔效应原理及其应用实验【实验目的】1、了解活儿效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。
2、学习用“对称测量法”消除副效应的影响。
3、确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
【预习思考题】1、什么叫霍尔效应？为什么此效应在半导体中特别显著？答：霍尔效应在本质上讲是运动的粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起偏转，最终两极板间形成电势差，使粒子受电场力和洛伦兹力平衡的现象。
因为半导体的迁移率高，电阻率适中，从而较其他材料有更强的优势。
2、采用霍尔元件测量磁场时，具体要测量哪些量？实验中如何操作才能消除副效应的影响？I I，用对称测量法可以尽可能的消除副影响。
答：霍尔电压、两输出电流,M S3、列出计算霍尔系数、载流子浓度n、电导率σ及迁移率μ的计算公式，并注明单位。
答：=单位：; n=单位：σ单位：μ μ= σ单位：2/m V s【实验原理】霍尔效应从本质上讲是运动的电子在磁场中受到洛伦兹力作用而引起的偏转。
当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，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。
如图1所示的半导体试样，若在X方向通以电流，在Z方向加磁场,则试样中的载流子（电子）将受到洛伦兹力的作用，其大小为公式（1）图1 样品示意图在的作用下，电子流发生偏转，聚集到薄片的横向端面上A上，而使横向端面出现了剩余电荷，由此在Y轴方向上形成了一个横向的附加电场，称为霍尔电场，对于N型试样，方向由指向A。
电场对载流子产生一个方向和相仿的静电力,其大小为公式（2）显然，该电场的作用是阻碍载流子的进一步堆积，当载流子所受到的电场力和洛伦兹力相等时，样品两侧电荷的积累就会达到静电平衡，故有：公式（3）其中，是载流子在电流方向上的平均飘逸速度。
设试样的宽度为b，厚度为d,载流子浓度为n, 则公式（4）这时，A和之间的霍尔电势差为:公式（5）由公式（4）、（5）可得：公式（6）即霍尔电压与成正比，与试样厚度称反比。
霍尔效应及其应用实验报告
课程名称：大学物理实验（二）实验名称：霍尔效应及其应用
图3.3 霍尔器件输出特性测量仪器实物图
仪器操作注意事项
1、测试仪开关机前将I S和I M旋钮逆时针转到底，防止输出电流过大；
2、I S和I M接线不可颠倒，以防烧坏霍尔片；
3、式样应置于螺旋线圈/铁芯气隙内磁场均匀处（即尽量处于中心）。
4、电压表调零
，测试仪功能选择置于“V H”，然后调节I M=0.5A,d=0.5mm
K，单位为千高斯/安(KGs/A)
表5.1 V H—I S曲线图
表5.2测绘曲线V H—I M数据记录表
/mV V2/mV V3/mV V4/mV V
Is-B，+Is-B，-Is+B，-Is
-4.52 4.53-4.80
-6.07 6.11-6.36
-7.637.64-7.92
-9.199.20-9.47
-10.7510.76-11.03
-12.3112.32-12.60
图5.2V H—I M曲线图
测量螺线管轴线上磁场分布
图5.3螺线管轴线上磁场分布
I S曲线的数据处理如下
=0.500A，K=3.94(KGS/A)
V H1=V1−V2+V3−V4
4=2.64−(−2.54)+2.55−(−2.63)
4
=2.59(mV)
5.1；
B=KI M=0.394×0.5=0.197(T)。
霍尔效应及其应用
实验七、霍尔效应1879年，霍尔在研究截流导体在磁场中的受力情况时，发现了一种现象：给处于匀强磁场中的板状金属导体，通以垂直于磁场方向的电流时，肝在金属板的上下两表面间产生一个横向电势差，这一现象称为霍尔效应。
霍尔效应不只是在金属导体中产生，在半导体或导体中同样也能产生，且半导体中的霍尔效应更加显著。
霍尔效应是研究半导体材料性能的重要理论根据，利用半导体材料制成的霍尔元件，又称为霍尔传感器。
一、实验目的1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。
2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的ＶＨ－ＩＳ和ＶＨ－ＩＭ曲线。
3．确定试样的导电类型，载流了的浓度以及迁移率。
二、实验仪器霍尔效应仪；霍尔效应测试仪、fx-3600p 计算器。
三、实验原理霍尔效应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。
假定有如图所示的金属块中，通以水平向右的沿Ｘ轴正方向的电流Ｉ，外加沿Ｚ轴正方向的磁感应强度为Ｂ的磁场。
由于金属中形成电流的是电子，电子的定向移动方向与电流方向相反，即沿Ｘ轴负方向。
此时电子在磁场中受洛仑兹力f H ，方向向下，则电子向金属块的下沿聚集，相应正电荷则在上板。
这样形成由上向下的电场E H ，使后来的电子在受到向下洛仑兹力f H 的同时，还受到向上的电场力f E ，最终两个力平衡，上下板的电荷达到稳定状态。
这时上下板之间的电压称之为霍尔电压，这种效应叫霍尔效应。
霍尔电压的计算公式的推导：设电子的电量为e ，单位体积中的自由移动的电荷数—即载流了浓度为n ，霍尔片的厚度为d,高度为b ，则由f H =qVB,f e =qE,I=neSv=nebdv;f e =f H.最后推出：B I K nedBI b E U S H S H H === （1） 其中U H 为霍尔电压（A ！、A 之间的电压），它与I S B 的积成正比。
比例系数K H =1/ned 称为霍尔灵敏度，它反映材料的霍尔效应强弱的重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位工作电流时霍尔电压的大小。
霍尔效应原理图
霍尔效应原理图第六章霍尔传感器本章主要讲述内容：、霍尔传感器的工作原理、霍尔元件的基本结构和主要技术指标、霍尔元件的测量电路、霍尔传感器举例概述：霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器得到广泛的应用。
可以检测磁场及其变化可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
特点：霍尔器件具有许多优点它们的结构牢固体积小重量轻寿命长安装方便功耗小频率高耐震动不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
第一节霍尔元件的基本工作原理霍尔效应原理图霍尔元件金属或半导体薄片置于磁场中当有电流流过时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势这种物理现象称为霍尔效应。
设图中的材料是Ｎ型半导体导电的载流子是电子。
在ｚ轴方向的磁场作用下电子将受到一个沿ｙ轴负方向力的作用这个力就是洛仑兹力。
它的大小为：FL=－evBFL电荷的聚积必将产生静电场即为霍尔电场该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反将阻止电子继续偏转其大小为式中EH为霍尔电场e为电子电量UH为霍尔电势。
当FL=FE时电子的积累达到动平衡即所以FLFE设流过霍尔元件的电流为I时式中ld为与电流方向垂直的截面积n为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。
则IADBCBlLdUHA、B霍尔电极C、D控制电极FLFE令RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。
由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度所以半导体霍尔系数大于导体。
霍尔系数及灵敏度则KH为霍尔元件的灵敏度。
由上述讨论可知霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关还与霍尔元件的几何尺寸有关。
一般要求霍尔元件灵敏度越大越好霍尔元件灵敏度的公式可知霍尔元件的厚度d与KH成反比。
令则通过以上分析可知：）霍尔电压UH与材料的性质有关n愈大KH愈小霍尔灵敏度愈低n愈小KH愈大但n太小需施加极高的电压才能产生很小的电流。
因此霍尔元件一般采用N型半导体材料）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。
d愈小KH愈大霍尔灵敏度愈高所以霍尔元件的厚度都比较薄但d 太小会使元件的输入、输出电阻增加。
大学物理霍尔效应及其应用
大学物理霍尔效应及其应用1、若磁场B的方向不与霍尔元件表面垂直，对实验结果有何影响？测得霍尔电压会减小，因为霍尔电压与垂直霍尔元件的磁感应强度分量成正比，若磁场方向不垂直于霍尔元件，会使所加有效磁场为预设磁场的垂直分量，从而使结果较实际值偏小。
2、霍尔元件的工作电流是否可以用交流电？此时的霍尔电压会怎样变化？不可以，霍尔电压的正负与工作电流的流向有关，交流电电流方向不停改变，会导致霍尔电压时正时负，无法测量。
3、本实验中怎样消除负效应的影响？还有什么实验中采用类似方法去消除系统误差？通过对称测量法消除，改变工作电流和磁场的方向记录相应正负四组组合所产生的霍尔电压，对其按公式求代数平均值从而可以消除大部分负效应，在旋光仪和分光计实验中记录角度时左右两次读数求平均来消除仪器的偏心误差。
【实验原理及公式】810H H s V dR I B=⨯ 【实验内容及步骤】1．正确连接电路，经老师检验正确后方可进行试验。
2．测绘H s V I -曲线：0.600A M I =I s （mA ） V 1（mV ）V 2（mV ）V 3（mV ）V 4（mV ）V H （mV ）++s B I ， +s B I -， s B I -，-+s B I ，-1.00 1.503．测绘H M V I -曲线： 3.00mA s I =4．测V AC （即V σ）：取 2.00mA s I =，B =0（I M 断开），测得：V σ= mV5．已知：d =0.5mm ，b =4mm ，l =3mm ，B= KGS/A= GS/A （从仪器上读出）【数据处理】（要求写出计算过程） 1．810H H s V dR I B=⨯= = cm 3/C 样品的导电类型为： 型 2．1H n R e== = cm -3 =s I lV bdσσ= = S/m =H R μσ= = T -1。
霍尔效应原理与实验
霍尔效应一、简介霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall ，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。
二、理论知识准备1． 1． 霍尔效应将一块半导体或导体材料，沿Z 方向加以磁场B，沿X 方向通以工作电流I ，则在Y 方向产生出电动势H V ，如图1所示，这现象称为霍尔效应。
H V 称为霍尔电压。
(a) (b)图1 霍尔效应原理图实验表明，在磁场不太强时，电位差H V 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d IB R V HH =(1)或 IB K V H H =(2)式（1）中H R 称为霍尔系数，式（2）中H K 称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mA ·T)。
产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N 型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P 型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。
如图1（a ）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j eVB B V e B V q F m -=⨯-=⨯=(3)式中V为电子的漂移运动速度，其方向沿X 轴的负方向。
e 为电子的电荷量。
m F 指向Y轴的负方向。
自由电子受力偏转的结果，向A 侧面积聚，同时在B 侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y 轴负方向上的横向电场H E（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y 轴正方向的电场力e F，A 、B 面之间的电位差为H V （即霍尔电压），则jb V e j eE E e E q F H H H H e ==-==(4)将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有0=+e m F F=+-j b V e j eVB H即b V eeVB H= 得 VBb V H =(5)此时B 端电位高于A 端电位。
霍尔效应原理图
第一节 霍尔元件的基本工作原理
概述：
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器， 得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可 在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以 霍尔效应为其工作基础。
特点：
霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢 固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便， 功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、 水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
用霍尔线性电路检测铁磁物体 用霍尔线性电路检测齿口的线路
3 无损探伤
霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，海用缆绳探伤，船体探伤以及材 料检验等方面得到广泛应用。
铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料 内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂 纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头 检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹） 和大小（如深度、宽度等），图示出两种用于无损探伤的探头结构。
(a)无损探伤的探头结构
(b)检测板材用
图 1 用于无损探伤的两种霍尔探头
4 霍尔齿轮传感器
针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻) 的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进 行补偿。
合理选择负载电阻
❖ 如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL， 则当温度为T时，RL上的电压可表示为：
UL
UH
RL RL R0
式中 R0—霍尔元件的输出电阻。
❖ 当温度由T变为T+ΔT时，则RL上的电压变为
但d太小，会使元件的输入、输出电
阻增加。
霍尔电压UH与控制电流及磁场强
度成正比，当磁场改变方向时，也改 变方向。
I B
A
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霍尔效应的原理及应用
霍尔效应的原理
霍尔效应是导电材料中的电流与磁场的相互作用，而产生电动势的一种效应。
这个导电材料通常是半导体材料，将半导体材料接入一个电源中，形成一个回路，此时电路中就存在电荷的定向移动，如下图：
如果此时将这个导电板处于一个磁场中，电荷会受到洛伦兹力，其路径会发生偏移，电荷偏移之后，就会形成电场，电荷同时会受到电场力，这个力正好与洛伦兹力方向相反，阻碍其移动，最终，电场力与洛伦兹力平衡，如下图：
如果使用仪表测试导电板两侧的电压，会发现其形成了电动势
我们对上述过程进行进一步分析：
E:电场强度；
e ：单个粒子的电荷量；
n ：单位体积的带电粒子数量；
B ：磁通密度；
v ：带电粒子移动速度。
最终平衡时：
B ned
I U b U e B nbd I F F =⇒=⇒=电洛取ne
1R H =，为霍尔系数，这个霍尔系数是跟霍尔材料有关的参数，就得到霍尔效应的核心公式：
d
IB R U H ⨯=这个U 被称为霍尔电压。
可以看出当材料及形状确定时。
BI
U
最终可等效为下图：
霍尔效应的实际应用
霍尔效应的应用十分广泛，就我比较熟悉的汽车测试行业，列举两例。
变速箱转速检测
检测原理图如下：
等效原理图如下：
在齿轮旋转的过程中，霍尔元件所处的磁场会发生变化，磁通密度也随之发生变化，如下图：
整个完整检测过程见下图：
当齿轮旋转时，霍尔转速传感器就输出一个一个的脉冲信号。
钳形表测量直流电流
我们常常使用的钳形表，测量直流时，基本都是用的霍尔效应来进行测量。
其等效原理图如下图所示：
驱动电路提供一个恒定的电流，经过霍尔元件形成一个回路，当穿过钳圈的导体上流过直流电流时，会在磁芯内部产生一个恒定的磁通，此时霍尔元件就处于磁场中，就会产生电压差（霍尔电压），再经过放大器放大并滤波后就能形成一个与被测导体电流成正比的电压值，再经过采集换算就能得到对应的电流并显示在钳形表上。