導(dǎo)語(yǔ)：霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)異常數(shù)據(jù)原因分析一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：本文闡述了霍爾效應(yīng)原理及其副效應(yīng)的消除方法，分析了霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)致霍爾元件損壞的幾種情況，并提出了霍爾元件保護(hù)的措施。

關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng)；霍爾元件；斷裂；分析

霍爾效應(yīng)（Halleffect）是美國(guó)物理學(xué)家霍爾（Ed-win.H.Hall）于1879年在研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中導(dǎo)電性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種電磁效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可以測(cè)量磁場(chǎng)，確定半導(dǎo)體材料的基本參數(shù)，如半導(dǎo)體載流子的類(lèi)型及能帶結(jié)構(gòu)、載流子的濃度，霍爾系數(shù)，霍爾片的電導(dǎo)率和遷移率?；魻栐话銥榘雽?dǎo)體薄片，是一種利用霍爾效應(yīng)通過(guò)把磁信號(hào)形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)形式以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的傳感器件。由于霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特性，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于非電量測(cè)量、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域，如測(cè)量技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等[1-7]。近年來(lái)，科學(xué)家們?cè)跇O低溫度、極強(qiáng)磁場(chǎng)中又發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，量子自旋霍爾效應(yīng)[8]?；魻栐恼w結(jié)構(gòu)為1.50mm×1.74mm，體積小，靈敏度高（可達(dá)10mV/（mA•kg））且特別容易損壞，而絕大部分普通高校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)了霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用這個(gè)實(shí)驗(yàn)，霍爾元件的利用率自然就很高，所以對(duì)霍爾元件的保護(hù)以及對(duì)產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)原因的分析就顯得非常重要。

一、霍爾效應(yīng)的原理

1.理論公式。將一個(gè)通電導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，如果磁場(chǎng)方向與電流方向垂直，那么體中的載流子將受到洛倫茲力的作用而在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生一個(gè)橫向電勢(shì)差，此電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，此現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的磁敏元件稱(chēng)為霍爾元件。圖1是霍爾效應(yīng)的原理圖?；魻栐请s質(zhì)半導(dǎo)體，運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力的作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在A面上出現(xiàn)電子的積累。半導(dǎo)體材料有N型（電子型）和P型（空穴型）兩種。前者的多數(shù)載流子是電子，帶負(fù)電，如圖1（a），在A面上出現(xiàn)電子的積累，同時(shí)C面出現(xiàn)等量的正電荷；后者的多數(shù)載流子是空穴，相當(dāng)于帶正電，如圖1（b），在A面上出現(xiàn)空穴的積累，同時(shí)C面出現(xiàn)等量的負(fù)電荷。這樣，在同樣的外加工作電流下，N、P型霍爾元件的A、C兩表面之間形成了方向相反的電場(chǎng)，具有了符號(hào)相反的霍爾電壓。顯然該電場(chǎng)阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)載流子所受的橫向電場(chǎng)力eEH與在磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力相等時(shí)，霍爾元件兩側(cè)電荷的積累達(dá)到平衡，故有：eEH=evB（1）其中，EH為霍爾電場(chǎng)，v為載流子在電場(chǎng)方向上的平均漂移度，e為電子電量。設(shè)霍爾元件寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，則：I=nevbd（2）由式（1）和（2）可得：VH=EHb=1ne•IBd=KHIB（3）即霍爾電壓與IHB的乘積成正比。KH稱(chēng)為霍爾靈敏度，單位為mV/（mA•T），該參數(shù)與霍爾元件材料有關(guān)，一旦霍爾元件制成，該參數(shù)就是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)KH已知，便可測(cè)定霍爾電壓VH，霍爾元件工作電流I，求得磁感應(yīng)強(qiáng)度B：B=VHKHI（4）。當(dāng)B為已知，反過(guò)來(lái)亦可求KH。2.實(shí)驗(yàn)中的副效應(yīng)及其消除方法。由霍爾效應(yīng)可知，當(dāng)工作電流I或磁感應(yīng)強(qiáng)度B兩者之一改變方向時(shí)，霍爾電壓VH的正負(fù)隨之變化；若兩者方向同時(shí)改變，則霍爾電壓VH符號(hào)不變。在測(cè)量霍爾電壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的同時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些副效應(yīng)，由此形成的附加電壓疊加在霍爾電壓上形成測(cè)量的系統(tǒng)誤差。這些副效應(yīng)及產(chǎn)生的附加電壓分別為：由于電極不在同一等勢(shì)面上引起的不等位電壓V0；愛(ài)廷豪森效應(yīng)產(chǎn)生的附加電壓VE；能斯托效應(yīng)產(chǎn)生的附加電壓VN；里紀(jì)—勒杜克效應(yīng)產(chǎn)生的附加電壓VR。不過(guò)這些副效應(yīng)除個(gè)別外，均可通過(guò)改變I和磁場(chǎng)方向加以消除。具體地說(shuō)，在規(guī)定電流和磁場(chǎng)正方向后，分別測(cè)量下列四組不同方向I和B組合的VAC（A、C兩表面電極間的電壓）：+I，+B時(shí)，VAC=V1=VH+V0+VE+VN+VR+I，-B時(shí)，VAC=V2=-VH+V0-VE-VN-VR-I，-B時(shí)，VAC=V3=VH-V0+VE-VN-VR-I，+B時(shí)，VAC=V4=-VH-V0-VE+VN+VR由以上4式可得：VH+VE=14（V1-V2+V3-V4）在非大電流、非強(qiáng)磁場(chǎng)下，VH>>VE，因而VE可以忽略，則：VH=14（V1-V2+V3-V4）

二、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)異常情況的分析

在對(duì)霍爾電壓的測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)采用對(duì)稱(chēng)交換測(cè)量法可以極大地消除各種副效應(yīng)所引起的誤差，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。但是，當(dāng)我們拿到測(cè)量結(jié)果時(shí)又發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中使用的霍爾元件的電阻進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)：該霍爾元件已損壞。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于學(xué)生操作不當(dāng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)霍爾元件損壞的現(xiàn)象，所以無(wú)論是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師還是學(xué)生如果能夠發(fā)現(xiàn)霍爾元件出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)更換，才能真正實(shí)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)所要達(dá)到的效果?；魻栐膿p壞分為兩種：（1）霍爾元件兩端電阻上漲，但并未斷裂，可是電阻值已經(jīng)遠(yuǎn)大于正常無(wú)故障的元件，此時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量可能會(huì)有三種現(xiàn)象出現(xiàn)：①數(shù)據(jù)有初始值，且數(shù)據(jù)線性度未變；②數(shù)據(jù)有初始值，但數(shù)據(jù)隨機(jī)或非線性；③有初始數(shù)據(jù)，但增加磁場(chǎng)后無(wú)數(shù)據(jù)變化。（2）霍爾元件兩端的電阻值無(wú)限大（即斷裂），使用萬(wàn)用表任一檔位均無(wú)法測(cè)量其阻值大小，實(shí)驗(yàn)中是否加入磁場(chǎng)均無(wú)數(shù)據(jù)輸出，可以判斷此時(shí)元件已完全損壞。導(dǎo)致霍爾元件損壞的原因歸納起來(lái)主要有以下幾種：（1）由于勵(lì)磁電流輸入端與霍爾元件電流輸入端、電壓輸出端容易搞混，使得勵(lì)磁電流誤接入霍爾元件，導(dǎo)致霍爾元件徹底斷裂，即使沒(méi)有勵(lì)磁電流輸入霍爾元件，由于恒流源在設(shè)計(jì)時(shí)的空載電壓大概為24—27V左右，當(dāng)恒流源接入元件后，電壓雖然會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)降到所需的電壓值，但是這個(gè)時(shí)間足以讓霍爾元件損壞了（可能不是完全斷裂）。（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后恒流源部分各電位器沒(méi)有按照實(shí)驗(yàn)要求調(diào)至零位。在勵(lì)磁電流未凋零時(shí)，磁場(chǎng)線圈是一個(gè)電感形式存在，關(guān)閉電源或再次開(kāi)機(jī)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生自感而產(chǎn)生很高的反向電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)一方面會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的磁場(chǎng)，這時(shí)霍爾元件所能測(cè)量的磁場(chǎng)已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)霍爾元件所能承受的最大磁場(chǎng)，霍爾元件發(fā)熱，至損壞；另一方面，反向電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，導(dǎo)致元件產(chǎn)生交變霍爾電壓，進(jìn)而內(nèi)部產(chǎn)生電流至元件損壞或金屬連接點(diǎn)損壞（開(kāi)焊）的元件損壞。

三、霍爾元件的保護(hù)

1.將霍爾效應(yīng)測(cè)試儀主機(jī)上勵(lì)磁電流接口與霍爾電流、霍爾電壓的接口以及霍爾效應(yīng)測(cè)試裝置上勵(lì)磁電流輸入端與霍爾元件電流輸入端、電壓輸出端設(shè)計(jì)成不同的形狀和規(guī)格，避免勵(lì)磁電流誤接入霍爾元件，導(dǎo)致霍爾元件徹底斷裂。2.嚴(yán)格執(zhí)行本實(shí)驗(yàn)的要求。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，霍爾效應(yīng)測(cè)試儀主機(jī)開(kāi)機(jī)之前，將霍爾效應(yīng)測(cè)試裝置上各換向開(kāi)關(guān)置于空檔位置，各電位器旋鈕均逆時(shí)針旋到底（最小值）；實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，各換向開(kāi)關(guān)置于空擋，各旋鈕均按逆時(shí)針?lè)较蛐阶钚∥恢谩?.其他保護(hù)措施。通過(guò)在霍爾元件電流輸入端和電壓輸出端各串聯(lián)一個(gè)額定電流較大的保險(xiǎn)絲就可以起到保護(hù)霍爾元件的作用[9]。另外，霍爾片是一個(gè)又薄又脆的半導(dǎo)體元件，引線很細(xì)，且不牢固，極容易扯斷，因此霍爾片的夾持方法也是保護(hù)霍爾元件的方法之一[10]。

四、結(jié)語(yǔ)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的目的在于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、勇于探索的精神。本文闡述了霍爾效應(yīng)的原理以及霍爾電壓測(cè)量過(guò)程中副效應(yīng)的消除，分析了霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)致霍爾元件損壞的幾種情況，并提出了霍爾元件保護(hù)的措施和該實(shí)驗(yàn)的一些改進(jìn)方法。針對(duì)于目前國(guó)家著力培養(yǎng)動(dòng)手能力強(qiáng)，能分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的應(yīng)用型人才，希望這篇文章能對(duì)開(kāi)設(shè)了霍爾效應(yīng)這一實(shí)驗(yàn)題目的兄弟院校的師生提供幫助。

作者:田 宇 張振華 姜 珊 張 鳳 單位:大連科技學(xué)院