毕 业 设 计
题目：霍 尔 效 应 测 试 仪
1绪论
1.1霍尔效应的发现
1879 年, 作为美国普多金斯大学研究生的霍尔, 在研究载流导体在磁场中的受力性质时, 发现了霍尔效应. 当一电流垂直于外磁场方向而流过导体时, 在垂直于电流和磁场的方向导体的两侧会产生一电势差, 这种现象称为霍尔效应, 而所产生的电势差称为霍尔电压.霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件.如图 1 所示.
将一块半导体薄片放在垂直于其表面的磁场 B 中, 在其 1, 2, 3, 4 侧面分别引出两对接线, 当沿4, 3 方向( x 方向) 通以电流 I 时, 就会在 1, 2 两面对称的位置上产生霍尔电压 V H:V H = I B/ ( qnd ) = K HI B 式中 K H = 1/ ( gnd ) 称为霍尔元件灵敏度, 单位为 V / A T ; V H 称为霍尔电压, 若知道了霍尔元件的K H, 测出 I 和 V H, 就可算出磁场 B 的大小, 这就是霍尔元件测
磁场的基本原理。
1.2 霍尔效应的应用
定义霍尔电阻为横向的霍尔电势与外加的纵向电流之比, 可以很容易地发现, 在经典的霍尔效应里, 霍尔电阻与外加磁场的磁感应强度成正比关系. 利用霍尔效应原理可以测量某点或缝隙中的磁场、 半导体中载流子迁移率和浓度及判别材料的导电类型; 此外, 还可利用霍尔效应制成多种测量器件, 称为霍尔器件, 例如测量磁场磁感应强度的特斯拉计、 测量电流的电流计、 测量电功率的瓦特计、测量磁场方向的磁罗盘和单向传递信息的隔离器等. 此外, 利用霍尔效应原理还可以测量时间、 长度变化等物理量.
1.3霍尔效应的应用方面的展望
1.3.1新的霍尔元件结构
常规霍尔元件要求磁场垂直于霍尔元件，且在整个霍尔元件上是均匀磁场。而在其他情况，需要根据磁场分布情况，设计各种各样相应的非平面霍尔结构。其中，垂直式霍尔器件是一种最近新发展出来的。这种垂直式霍尔片具有低噪声、低失调和高稳定性的特点。目前
根据这种原理国际上开展了许多研究项目。
1.3.2微型化
瑞士联邦技术研究所最新研制的超小型三维霍尔传感器工作面不到300x300p,m，只有六个管脚。这种器件特别适合用于空间窄小的检测环境，例如电动机中的间隙、磁力轴承以及其他象永磁体扫描等需接近测量表面的场合。
1.3.3高灵敏度
有资料显示，有一种高灵敏度霍尔传感器， 它基于霍尔传感器原理，并且集成了磁通集中器。产品的主要创新就在于利用了成熟的微电子集成工艺，制造低成本的磁通集中器。其磁通集中器直接集成在已带有成千霍尔敏感单元的硅片上，再将硅片切割成单个的霍尔探针，最后封装成标准的集成电路芯片。这种集成化的磁通集中器的单元成本只占传感器成本的六分之一，传感器的检测灵敏度却可提高五倍以上。
综上所述，由于采用了微电子工艺，硅霍尔传感器能很好地适用于很多工业应用。正是因为霍尔效应拥有这么重大的意思。霍尔效应实验就显得格外重要了，为了进一步实验的需要，
本文设计了一款基于霍尔效应的测试仪。通过对这种测试仪的设计，达到对霍尔效应有更深刻理解的目的。
2霍尔效应测试仪工作原理
在均匀强磁场B中放入一块板状金属导体，并与磁场B方向垂直如图1-1，在金属板中沿与磁场B垂直的方向通以电流I 的时候，在金属板上下表面之间会出现横向电势差，这种现象称为霍尔效应，电势差称为霍尔电势差。进一步的观察实验还指出，霍尔电势差大小与磁感应强度B和电流强度I的大小都成正比，而与金属板的厚度d成反比，即。式中仅与导体材料有关，称为霍尔系数。当时虽然发现了霍尔效应现象，但在发现电子以前，人们不知道导体中的载流子是什么，不能从电子运动的角度加以解释霍尔效应的物理现象，现在我们按电子学理论对霍尔效应做了如下的解释：金属中的电流就是自由电子的定向流动，运动中的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用。
霍尔效应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（电子或空穴）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聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。如图1-1所示的半导体试样，若在X方向通以电流 ，在Z方向加磁场，则在Y方向即试样 A-A/ 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。
对图1-2（a）所示的N型试样，霍尔电场逆Y方向，（b）的P型试样则沿Y方向。
显然，霍尔电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力
洛仑兹力相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故
(2-1)
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b，厚度为d，载流子浓度为n ，则
(2-2)
由(2-1)、(2-2)两式可得：
(2-3)
即霍尔电压（A 、A／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）可按下式计算（厘米3／库仑）：
RH＝ （2-4）
上式中的10是由于磁感应强度用电磁单位（高斯）而其它各量均采用CGS实用单而引入。
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。判别的方法是按图2-1所示的I和B的方向，若测得的即点点电位高于点的电位，则为负，样品属N型；反之则为P型。
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