霍尔传感器特性研究及其应用

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1、实验十二霍尔传感器特性研究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。这个现象是霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。霍尔效应不仅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传感器已被广泛应用于非电量电测、自动控制和信息处理。【实验目的】1.了解霍尔效应原理及以及研究霍尔传感器的特性。2.学习用“对称测量法”消除霍尔传感器副效应的影响。3.学会测定霍尔传感器的导电类型，会计算载流子浓度和迁移率。【实验原理】霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场

2、中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被束缚在固体材料中，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积累。从而形成附加的横向电场。对于图12-1所示的霍尔传感器，若在x方向通以电流，在Z方向加磁感应强度为B的磁场，则在Y方向即A、A/两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向决定于材料的导电类型。显然，该电场阻止载流子继续向侧面移动，当载流子所受的横向电场力eEH和洛仑兹力evB相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有eEH=e=evB(12-1)其中EH称为霍尔电场，v是载流子在电

3、流方向上的平均漂移速度。设霍尔传感器的宽度为b，厚度为d，载流子浓度为n，则I=nevbd(12-2)由（12-1）.（12-2）两式可得（12-3）zyISxA`A`+++++++++——————i-e+eiISbEHIFBEHFBd________+++++++CLACA图12-1.霍尔效应原理图即霍尔电压（点A与A/之间的电压）与I、B的乘积成正比，与样品厚度d成反比。比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，其大小是由材料本身的性质决定的。只要测出(V),以及知道、和d（m）可按下式计算。（12-4

4、）根据可进一步确定以下参数：1.由的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判断的方法是按图12-1所示的I和B的方向，若测得的<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(1/m3)（12-3）式中n=是假定所有载流子都具有相同的漂移速度而得到的，考虑载流子的速度统计分布，需引入3的修正因子。即n=（12-5）3.求电导率σ(1/Ω.m)电导率σ可以通过图12-1所示的A、C电极进行测量，设A、C电极间的距离为L，样品的横截面积为S=b.d,流经样品的电流为I，在

5、零磁场下，若测得A、C之间的电位差，可由下式求电导率σ=（12-6）4.求载流子的迁移率μ(m2/CΩ)载流子的迁移率μ与电导率σ及载流子浓度n之间有如下关系μ==（12-7）根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即载流子迁移率高，电阻率高）的材料。就金属导体而言，迁移率及电阻率均较小，而不良导体电阻率虽高，但迁移率极小，不能用来制造霍尔器件。半导体载流子迁移率高，电阻率适中，是制造霍尔元件较理想的材料。由于电子的迁移率比空穴大，所以霍尔元件多采用N型半导体材料。又由于霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，

6、所以霍尔元件一般较薄。就某一霍尔原件而言，其厚度是一定的，实用中引入KH表示霍尔器件的灵敏度，KH=1/ned=RH/d,单位可取V/(A.T)。实验中由于样品的材料与电极的材料不同，电极与样品间不是理想的欧姆接触，载流子运动是按一定的统计分布等原因，所以在测量中会有热电效应、温差效应和由此产生的其它副效应。（一）热电效应：当电流流过样品时，由于样品两端的电极和样品的接触电阻不同，因而在样品的两端将产生不同的焦耳热，使样品两端温度不同，因而有热流Q流过样品，Q与电流的方向无关。（二）温差效应：由于样品两端的电极与样品接触的

7、温度不同，就会在样品的两侧A、A/(如图12-1所示)有电位差产生（另外两电极由温差所产生的电位差与霍尔电压无关）。这一电位差和温度成正比。（三）其它副效应：（1）厄挺好森效应（EttingShausenEffect）由于载流子速度的统计分布性，高于或低于平均速度的载流子将在洛仑兹力和霍尔电场力的作用下，沿y轴向相反的两侧不断偏转，向两侧偏转的载流子的动能转化为热能，使两侧温度不同，造成样品y方向上的温差，这个温差在y方向上产生温差电动势VE，且VE∝IBVE与IB成正比，其符号与电流和磁场的方向有关，在测量VH时，就会有

8、VE迭加上去。（1）能斯托效应（NernstEffect）由于两个电流电极与样品接触电阻不同，样品电流在两极将产生不同的焦耳热，引起两极间的温差电动势。此电动势又产生温差电流，称为热电流Q，热电流在磁场的作用下，也发生偏转，结果在Y方向上产生附加的电位差VN,且VN∝QB因热电流与样品电流无关，所以VN