半导体片霍尔效应实验及其在生活中的应用
时间：2020-12-10 04:01:42 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：霍尔效应是1879年美国物理学家霍尔读研究生期间在做研究载流子导体在磁场中受力作用实验时发现的。我在老师的指导下做了半导体片霍尔效应实验，探讨了霍尔电压与控制电流和外加磁场之间的关系，查阅了文献，阐述了霍尔元件的特点和在日常生活中的应用。
关键词：霍尔效应 霍尔元件 应用
一、问题的提出
霍尔效应是一个极重要的物理现象，随着电子技术的发展，利用霍尔效应原理开发的各种霍尔器件，结构简单、频率响应宽（高达10GHz）、寿命长、可靠性高， 已广泛应用于精密测磁、自动化控制、信息处理、通信、计算机、航天航空等工业部门及国防领域，可以直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性， 或者是检测受检对象上人为设置的磁场， 用这个磁场来作被检测的信息的载体， 通过它将许多非电、非磁的物理量， 如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等， 转变成电量来进行检测和控制。为了对霍尔效应的物理原理和在生活中的应用做深刻的了解，我进行了半导体片霍尔效应实验，并且对其在生活中的应用进行了文献查阅。
二、霍尔效应原理相关的理论知识准备
主要参考了聊城大学普通物理实验室的实验教材。
霍尔效应是指：运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起偏转，这种偏转导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的霍尔电场。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。
图1是N型半导体材料和P型半导体材料的霍尔效应示意图。
图1 N型半导体材料和P型半导体材料霍尔效应示意图
根据霍尔效应原理，，其中为霍尔电压，B为外加磁感应强度，为霍尔系数，为控制电流，d为半导体薄片厚度，为霍尔元件灵敏度。
三、半导体薄片霍尔效应实验
1.实验器材采用了聊城大学普通物理实验室的TH-H型霍尔效应测试仪及配套电源。
2.实验中副作用的消除：实验中，在产生霍尔效应的同时，还伴随着多种副效应，所以采用电流和磁场换向的对称测量法。
3.实验步骤：
（1）測绘VH-Is曲线 ，保持IM=0.6A不变，改变IS测量 VH。（2）测绘VH-IM曲线，其中IM与B成正比，看VH与磁场B间的关系，实验中保持IS=3.00mA不变，改变IM测量VH。
4.实验数据及数据图线
（1）VH-Is实验数据
采用EXCEL 处理数据，得到VH-Is曲线：
图3 VH-Is曲线
（2）VH-IM实验数据，看VH与磁场B间的关系
采用EXCEL 处理数据，得到VH-IM曲线：
图4 VH-IM曲线，反映了VH与磁场B间的关系
（3）霍尔系数和霍尔元件灵敏度的计算：
TH-H型霍尔效应测试仪中半导体霍尔片参数：厚度；宽度，，得到，
5.实验结论
（1）VH与Is成正比。（2）VH与B成正比，特斯拉计测量磁场就是根据此原理。
（3）霍尔电压越大，霍尔效应越明显。
四、霍尔效应在日常生活中的应用
1.从应用上讲，制作霍尔元件的材料的霍尔元件灵敏度愈大愈好。灵敏度与电子（空穴）浓度成反比，半导体的电子（空穴）浓度远比金属的电子浓度小，因此用半导体材料制成的霍尔元件，霍尔效应明显，灵敏度较高，而且霍尔元件一般都很薄。
2.日常生活中的应用
录音机的换向机构就是使用霍尔传感器检测磁带终点并完成自动换向功能的；录像机中的磁鼓电机常采用锑化铟霍尔元件；洗衣机中的电动机主要依靠霍尔传感器检测与控制电动机的转速、转向功能；霍尔效应动感检测器与电子线路组装可制成报警器， 带在老人或消防人员身上， 当出现昏迷、跌倒等危险情形时可报警发出声响， 还可用来装在汽车或摩托车上， 达到防盗目的。
霍尔传感器在飞机、军舰、航天器、新军事装备及通讯中应用也相当广泛。如我国的远程导弹、“风云”号卫星、“神舟” 号飞船等均使用特别研制的霍尔传感器。在计算机控制的点火系统中， 计算机需要发动机各工况的输入信号，其中霍尔效应传感器组件（霍尔集成电路或霍尔元件与永磁体、软磁材料等封装在一起）就提供发动机转速和曲轴位置数据等。随着人类科技的进步， 霍尔效应应用将创造出更辉煌的业绩。
感谢：聊城大学普通物理实验室的老师们。
参考文献
[1]张山彪等《大学物理实验》西安电子科技大学出版社2014年出版
[2]王本菊《霍尔效应及其应用》《中国校外教育下旬刊》2011年第6期
