FD-HL-5 霍尔效应说明书

FD-HL-5型

霍耳效应实验仪

产

品

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书

上海复旦天欣科教仪器有限公司

中国上海

FD-HL-5型霍耳效应实验仪

一．概述

霍耳元件因其体积小，使用简便，测量准确度高，可测量交、直流磁场等优点，已广泛用于磁场的测量。并配以其他装置用于位置、位移、转速、角度等物理的测量和自动控制。本霍耳效应实验仪主要帮助学生了解霍耳效应的实验原理，测量霍耳元件的灵敏度，并学会用霍耳元件测量磁感应强度的方法。FD-HL-5型霍耳效应实验仪具有以下优点：

1．采用砷化镓霍耳元件（样品）测量。该霍耳元件具有灵敏度高，线性范围广，温度系数小的特点。由于霍耳元件的工作电流小（小于5mA），电磁铁的励磁电流也小（小于0.5A），因而实验数据稳定可靠。

2．实验电路布局设计合理，更多地从教学的实际效果和科研的应用考虑。如待测样品和探测元件的形状结构学生可明显观察；用1个数字电压表可分别测量霍耳电压和霍耳电流（通过取样电阻）等。实验教学效果很好。

3．仪器具有保护装置使用寿命长。

本仪器可用于高等院校、中专的基础物理实验、设计性实验和演示实验。

二、技术指标

1.直流稳流电源及数字式电流表。量程0-500mA，分度值1mA。

2.四位半数字电压表。量程0－2V，分度值0.1ｍV。

3.数字式特斯拉计。量程0-0. 35T ，分度值0.0001T 。

4.电磁铁。间隙3mm 。

5.待测砷化镓霍耳元件。实验时，工作电流一般小于3m A 。

（最大电流不得超过5ｍA ）

三、实验仪器简图

（1）实验仪器结构如图1所示。

（2）电源插头各引线对应的输入输出端简介：

1和2端为样品（砷化镓传感器）直流恒流源;

3和4端为式特斯拉计探测所用电源；

FD －HL －5 霍耳效应实验仪

电磁铁直流电源 电流调节 数字电压表 霍耳电流调节 毫特计调零 上海复旦天欣科教仪器有限公司 开

关

ｍA

ｍV ｍT 图1仪器面板图

图2电源插头各引线对应的输入端

5和6端为数字式特斯拉计探测器输出电压端（接显示器）。

（3）砷化镓霍耳传感器引脚介绍。

1和3脚电源输入端；

2和4脚为输出霍耳电势差 四、使用注意事项

1． 仪器应预热15分钟，待电路接线正确，方可进行实验。

2． 直流稳流电源（0-500mA ）与电磁铁相接，直流稳压电源用于提供霍耳元件工作电流（0-5mA ），相互不能互换。接错时，易将霍耳元件超过工作电流损坏。

3． 霍耳元件易碎，引线也易断，不可用手折碰。砷化镓元件通过电流小于5mA ，使用时应细心。

4． 电磁铁磁化线圈通电时间不宜过长，否则线圈易发热，影响实验结果。励磁电流I M 不得超过0.5A ，用外接其电流电源时须注意。

（黄） （黑） （绿） （红） （线） 图3砷化镓霍耳传感器外型图

用霍耳传感器测磁场

（以下讲义由复旦大学物理教学实验中心提供）

当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，导电体两侧产生电势差的现象。1879年为美国物理学家霍耳所发现，此现象称霍耳效应。一般说来，金属和电解质的霍耳效应都很小，但半导体则较显著。N 型锗、锑化铟、磷砷化铟、砷化镓等霍耳系数很高的半导体材料，常被用于制作霍耳元件。砷化镓霍耳元件尤以灵敏度高、线性范围广和温度系数小等优点，在磁场测量中经常被应用。对磁感应强度的测量，用霍耳元件优点是使用简便，探头小，适用计量小范围磁场，这种方法测量的相对不确定为10-2—10-3。本实验要求学习者深入了解霍耳效应的基本原理；学习测量霍耳元件灵敏度的方法以及用霍耳元件测量磁场。

实验原理

1、 霍耳效应

霍耳电势差是这样产生的：当电流I H

通过霍耳元件（假设为P 型）时，空穴有

一定的漂移速度υ，垂直磁场对运动电荷

产生一个洛伦兹力。

F B =q （υ×B ） （1）

式中q 为电子电荷，洛伦兹力使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以有些偏转的载流子将在边界积累起来，产生一个横向电场E ，直到电场对载流子的作用力F E =qE 磁场作用的洛伦兹力相抵消为止，图1 霍耳效应简图

即

q（υ×B）= qE （2）

这时电荷在样品中流动时将不再偏转，霍耳电势差就是由这个电场建立起来的。

如果是N型样品，则横向电场与前者相反，所以N型样品和P型样品的霍耳电势差有不同的符号，据此可以判断霍耳元件的导电类型。

设P型样品的载流子浓度为p，宽度为ω，厚度为d，通过样品电流I H=pqυωd，则空穴的速度υ=I H/pqωd代入（2）式有E=┃υ×B┃=I H B/pqωd（3）

上式两边各乘以ω，便得到

U H= Eω= I H B/pqd= R H ×I H B/d（4）

R H=1/pq称为霍耳系数，在应用中一般写成

U H= I H K H B（5）

比例系数K H=R H/d=1/p q d称为霍耳元件灵敏度，单位为mV/（mA·T），一般要求K H愈大愈好。K H与载流子浓度p成反比，半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小，所以都用半导体材料作为霍耳元件。与K H厚度d成反比，所以霍耳元件都做得很薄，一般只有0.2mm厚。

由公式(5)可以看出，知道了霍耳片的灵敏度K H，只要分别测出霍耳电流I H及霍耳电势差U H就可算出磁场B的大小，这就是霍耳效应测磁场的原理。

2、用霍耳元件测磁场

磁感应强度的计量方法很多，如磁通法、核磁共振法及霍耳效应法等。其中霍耳效应法具有能测交直流磁场，简便、直观、快速等优点，应用最广。

如图2所示。直流电源E 1为电磁铁提供励磁电流I M ，通过变阻器R 1，可以调节I M 的大小。电源E 2通过可变电阻R 2（用电阻箱）为霍耳元件提供霍耳电流I H ，当E 2电源为直流时，用直流毫安表测霍耳电流，用数字万用表测量霍耳电压；当E 2为交流时，毫安表和毫伏表都用数字万用表测量。

图2测量霍耳电势差电路

半导体材料有N 型（电子型）和P 型（空穴型）两种，前者载流子为电子，带负电；后者载流子为空穴，相当于带正电的粒子。由图可以看出，若载流子为电子则4点电位高于3点电位，U H3·4 ＜0；若载流子为空穴则4点电位低3点电位的，电位于U H3·4＞0，如果知道载流子类型则可以根据U H 的正负定出待测磁场的方向。

E 1

K 1

R 1 K 3 E 2

K 2 R 2