在工业生产和科学研究中，经常需要对一些磁性系统或磁性材料进行测量，被测磁场的范围可从T（特斯拉），测量所用的原理涉及到电磁感应、磁光效应、热磁效应等。常用的磁场测量方法有核磁共振法、电磁感应法、霍尔效应法、磁光效应法、超导量子干涉器件法等近十种。
一般地，霍尔效应法用于测量T的磁场。此法结构较简单，灵敏度高，探头体积小、测量方便、在霍尔器件的温度范围内有较好的稳定性。但霍尔电压和内阻存在一定的温度系数，并受输入电流的影响，所以测量精度较低。
用半导体材料制成的霍尔器件，在磁场作用下会出现显著的霍尔效应，可用来测量磁场、霍尔系数、判断半导体材料的导电类型（型或型）、确定载流子（作定向运动的带电粒子）浓度和迁移率等参数。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，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量电测、自动控制和信息处理等方面，如测量强电流、压力、转速等，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，将有更为广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对于日后的工作将有益处。
【实验目的】
1. 了解霍尔效应产生的机理。
2. 掌握用霍尔器件测量磁场的原理和基本方法。
3. 学习直流激励时霍尔式传感器位移特性及测量方法。
4. 学习交流激励时霍尔式传感器位移特性及测量方法。
5. 学习霍尔转速传感器的应用。
【仪器用具】
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元，相敏检波、移相、滤波模板、双线示波器，霍尔转速传感器、直流源、转动源（2－24V）、转动源单元。
【实验原理】
1. 霍尔效应产生的机理
置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，载流体的两侧会产生一电位差，这个现象是美国霍普斯金大学二年级研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应，所产生的电位差称为霍尔电压。特别是在半导体样品中，霍尔效应更加明显。
霍尔电压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（电子和空穴）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。对于图1-1（a）所示的型半导体试样，若在方向通以电流，在方向加磁场，试样中载流子（电子）将受到洛仑兹力大小为：
（1-1）
特斯拉实验则在方向，在试样、电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场——霍尔电场。电场的指向取决于试样的导电类型，对型半导体试样，霍尔电场逆方向，型半导体试样，霍尔电场则沿方向，即有：
当沿轴正向、沿轴正向、逆正方向的试样是型半导体。
当沿轴正向、沿轴正向、沿正方向的试样是型半导体。
显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受到的横向电场力与洛仑兹力大小相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有：
（1-2）
其中为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度。
设试样的宽为，厚度为，载流子浓度为，则：
（1-3）
而霍尔电压，这样，由（1-2）、（1-3）式可求得：
（1-4）
即霍尔电压（、电极之间的电压）与乘积成正比，与试样厚度成反比，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，只要测出（伏）以及知道（安）、（高斯）和（厘米），就可按照下式计算（厘米3/库仑）。
（1-5）
上式中的是由于磁感应强度用电磁单位（高斯），而其他各量均采用CGS实用单位而引入。
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
判断的方法是按照图1-1所示的和的方向，若测得的，（即点的电位低于点的电位），则为负，样品属型，反之则为型。
2. 由求载流子浓度
即。应该指出，这个关系式是假定所有的载流子都具有相同的漂移速度得到的，严格一点来说，考虑到载流子的统计分布，需引入的修正因子（本实验不作严格要求，有兴趣的读者可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》）。
3. 结合电导率的测量，求载流子的迁移率
电导率与载流子浓度及迁移率之间有如下关系
（1-6）
即，通过实验测出值即可求出。
综上所述，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率亦较高）的材料。因，就金属导体而言，和均很低，而不良导体虽高，但极小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件。半导体高，适中，是制造霍尔器件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔器件都采用型材料，其次，霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔器件的输出电压较片状的要高得多。对于成品的霍尔器件，其和厚度已知，所以实用上采用：
（1-7）
来表示器件的灵敏度，这样（1-4）式写成：
（1-8）
式中， 称为霍尔器件的灵敏度（其值由制造厂家给出）。它表示该器件在单位工作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压，一般要求霍尔器件的灵敏度越大越好。（1-8）中的单位取为mA，的单位用mV，的单位用kG（千高斯）或0.1T（特斯拉），这样，的单位为或是。
由（1-8）式有：
（1-9）
由（1-9）式可知，如果知道了霍尔器件的灵敏度，用仪器分别测出控制电流和霍尔电压，就可以算出磁场的大小，这就是用霍尔效应测磁场的原理。
由于霍尔效应的建立需要的时间很短（约在s内），因此，使用霍尔器件时可以用直流电或交流电，若控制电流用交流电，则
（1-10）
所得的霍尔电压也是交变的。这时的和均应理解为有效值。
2. 直流、交流激励时霍尔式位移传感器和霍尔测转速仪原理
直流激励式位移传感器是根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。
交流激励式霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。
霍尔转速传感器是利用霍尔效应表达式：UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。
【实验内容与要求】
1. 直流激励时霍尔式传感器位移特性测量
（1）将霍尔传感器按图2－1安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图3进行。1、3为电源±4V，2、4为输出。
（2）开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW1使数显表指示为零。
图2 霍尔传感器安装示意图
图3霍尔传感器位移――直流激励实验接线图
（3）微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表。
表1 直流激励霍尔传感器位移与电压关系
X（mm） | ||||||||||
V(mv) | ||||||||||
（4）作出V－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
2. 交流激励时霍尔式传感器位移特性测量
（1）传感器安装同上，实验模板上连线见图4。
图4交流激励时霍尔传感器位移实验接线图
（2）调节音频振动器频率和幅度旋钮，从Lv输出，用示波器测量使电压输出频率为1KHz，电压峰－峰值为接上交流电源，激励电压从音频输出端LV输出频率1KHZ，幅值为4V峰－峰值（注意电压过大会烧坏霍尔元件）。
（3）调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，调节电位器RW1、RW2使显示为零。
（4）调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器RW和相敏检波电位器RW，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。
（5）使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，填入表2。
表2交流激励时输出电压和位移数据
X（mm） | ||||||||||
V(mv) | ||||||||||
（6）根据表2作出V－X曲线，计算不同量程时的非线性误差。
3. 霍尔传感器转速测量
（1）根据图5，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面内的磁钢。
图5 霍尔、光电、磁电转速传感顺安装示意图
（2）将5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。
（3）将霍尔转速传感器输出端（2号接线端）插入数显单元Fin端，3号接线端接地。
（4）将转速调节中的＋2V－24V转速电源接入三源板的转动电源插孔中。
（5）将数显单元上的开关拨到转速档。
（6）调节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变化。
表2交流激励时输出电压和转速数据
转速 | ||||||||||
电压 | ||||||||||
【注意事项】
1. 霍尔器件性脆易碎，电极甚细易断，实验中调节探头轴向位置时，要缓慢、细心地转动有关旋纽，严禁用手或其他物件去触摸探头，以防损坏霍尔器件。
2. 三个实验分开测量，实验时每测完一组数据后可断开电源片刻再接着测量。
【思考问题】
课前预习题
1. 什么叫霍尔效应？为什么此效应在半导体中特别明显？
2. 如何根据和的方向，判定霍尔器件是型半导体还是型半导体？
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