霍爾效應(yīng)的原理及應(yīng)用.doc

河南大學(xué)民生學(xué)院本科畢業(yè)論文 學(xué)號：1003618095河南大學(xué)民生學(xué)院畢 業(yè) 論 文（2014屆）年 級2010級 專 業(yè) 班 級電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 生 姓 名范博 指導(dǎo)教師姓名翟俊梅 指導(dǎo)教師職稱副教授 論文完成時間2014-04-22 河南大學(xué)民生學(xué)院教務(wù)部二一三年印制目錄摘要1一 霍爾效應(yīng)21.1經(jīng)典霍爾效應(yīng)21.2經(jīng)典霍爾效應(yīng)誤差3二 量子霍爾定律3三 霍爾元件63.1霍爾器件63.2霍爾元件73.3霍爾元件的特點(diǎn)8四 霍爾效應(yīng)的應(yīng)用8（1）工程技術(shù)中的應(yīng)用9（2）日常生活中的應(yīng)用10（3）科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用11五 結(jié)語11六 參考文獻(xiàn)12 霍爾效應(yīng)的原理及應(yīng)用范博（河南大學(xué)民生學(xué)院，河南 開封，475004）摘要 霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)，這種現(xiàn)象是美國的物理學(xué)家霍爾于1879年在校讀研期間將載流子的導(dǎo)體放入磁場中的做受力作用實(shí)驗(yàn)的時候發(fā)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)中電流垂直在導(dǎo)體的外磁場并通過導(dǎo)體時，導(dǎo)體垂直磁場與電流兩個方向的端面之間就會產(chǎn)生出一種電勢差，產(chǎn)生的這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。在實(shí)在驗(yàn)中產(chǎn)生的電勢差被名為霍爾電勢差。 Principle and Application of Hall effectAbstract：Hall effect is a kind of electromagnetic effect, This phenomenon is caused by the American physicist A-H-Hall in 1879 when the carriers do during graduate conductors in a magnetic field by the force of the experimental findings. When the current is perpendicular to the external magnetic field and through the conductor, the conductor is perpendicular to the magnetic field and electric current produces electric potential difference between the two direction of end face, this phenomenon is called the hall effect. The electric potential difference caused by experiment have been called hall electric potential difference.13一 霍爾效應(yīng)1.1經(jīng)典霍爾效應(yīng)1897年，霍爾于馬里蘭Johns opkins大學(xué)讀研究生。當(dāng)時還并沒有人發(fā)現(xiàn)電子的存在，也沒有人知道金屬具有導(dǎo)電的原理。霍爾通過學(xué)習(xí)注意到物理學(xué)家埃德隆與物理學(xué)家麥克斯韋關(guān)于某個問題產(chǎn)生的分歧，于是在霍耳的導(dǎo)師羅蘭教授的幫助和支持下，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證磁場對導(dǎo)線中的電流到底有無影響，霍爾在實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)了一種從未見到的特殊現(xiàn)象：如下圖所示，將帶著有載流子導(dǎo)體板放入磁場當(dāng)中，使磁場的方向垂直電流的方向，于導(dǎo)體板兩側(cè)也就是圖中a 與b之間就會產(chǎn)生出橫向的電勢差U，這種現(xiàn)象就是由霍爾通過實(shí)驗(yàn)最先發(fā)現(xiàn)的，于是稱這種現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)，在導(dǎo)體的兩側(cè)形成的電勢U稱之為霍爾電壓。霍爾當(dāng)時的發(fā)現(xiàn)震驚了科學(xué)界，許多科學(xué)家都轉(zhuǎn)向這一研究領(lǐng)域。圖1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)也能從運(yùn)動電荷受到的洛倫茲力這一理論中得到詮釋。從實(shí)驗(yàn)中表明，霍爾電壓u與磁感應(yīng)強(qiáng)度b、電流I都成正比的，與板子的厚度d是成反比。退出的公式是：，在式中，是一比例常數(shù)，被稱為霍爾系數(shù)，它是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的性質(zhì)來決定的1.2經(jīng)典霍爾效應(yīng)誤差(1) 下圖中霍爾電壓的測量點(diǎn)A和A很難做到最初在同一個等勢面上，所產(chǎn)生的電壓Vo=ISR，R為A和A兩個測量點(diǎn)所在的兩個等勢面之間的電阻。圖2霍爾效應(yīng)中等勢面影響(2)由現(xiàn)象本身所產(chǎn)生的電場和磁場，是可以通過電磁效應(yīng)來產(chǎn)生出熱電效應(yīng)和熱磁效應(yīng)二 量子霍爾定律 1980年，德國物理學(xué)家Kvon Klitzing發(fā)現(xiàn)在低溫狀態(tài)下半導(dǎo)體硅所產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)所呈現(xiàn)并不是往常常規(guī)的那種直線形式，而是通過磁場的變化所展現(xiàn)出的跳躍性變化，實(shí)驗(yàn)中跳躍的階梯大小是通過被整數(shù)除的基本物理常數(shù)來決定的，這種霍爾效應(yīng)被稱之為“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”。在上述實(shí)驗(yàn)的情況下，霍爾電阻RH 將隨著磁場的變化而呈現(xiàn)出一些量子化的電阻平臺, 這些平臺電阻的數(shù)值可以用后面的式子描述出來 式中h 表示為普朗克常數(shù), e 電子電荷, i 正整數(shù), 即可推出i = 1, 2, 3, . 由上式所表達(dá)出的量子化電阻率在目前所能測量水平的精度已經(jīng)達(dá)到108以上的數(shù)量級, 這也為解決其他的問題打下一定的基礎(chǔ): 一方面提供一個絕對電阻標(biāo)準(zhǔn)：, 從1990 年起這種電阻標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被確認(rèn)為是國際電阻標(biāo)準(zhǔn); 另一方面可以確定出來精細(xì)的結(jié)構(gòu)常數(shù)：, 這種結(jié)構(gòu)常數(shù)可以用來驗(yàn)證一些理論的正確與否 如量子電動力學(xué), 在這些理論中光速和真空電容率已經(jīng)通過其它的方法得到精確測定 圖3由上圖所示我們可以看得出霍爾電阻平臺是確實(shí)存在的。通過發(fā)現(xiàn)量子化霍爾電阻平臺給人們展現(xiàn)出即使像這樣非常薄的樣品在強(qiáng)度很高磁場和超低溫度狀態(tài)這類極端的物理條件下, 已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)100余年并且得到多種應(yīng)用的不同類型的霍爾效應(yīng)而且出現(xiàn)新的現(xiàn)象。由于這些新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象是一種宏觀量子現(xiàn)象也被稱作為宏觀量子效應(yīng)通過把新條件下所產(chǎn)生的新特點(diǎn)這類效應(yīng)稱為量子霍爾效應(yīng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明,如果二維電子處于強(qiáng)度較高的磁場或超低溫度環(huán)境時在電阻率隨磁場增大而發(fā)生變化的關(guān)系曲線, 每當(dāng)達(dá)到特定磁感應(yīng)強(qiáng)度B的時候，于電流子方向相同的電阻R就下降至0, 與此同時與電流垂直的霍爾電阻也會出現(xiàn)一個數(shù)值恒定的平臺, 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B再次增加的時候, 電阻R也再次增加的過程中, 就又會在另外特定的磁感應(yīng)強(qiáng)度B時再次出現(xiàn)電阻R降至0和霍爾電阻RH成為平臺的這種現(xiàn)象。在K Von Klitzing實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的存在后不久，崔琦和赫薩德在1982時，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)在磁場20t和弱溫度0 1K，的高遷移率的二維電子氣系統(tǒng)的測量，發(fā)現(xiàn)霍爾平臺的電阻是步結(jié)構(gòu)具有更精確，在V =1/3和V =2/3兩，在這種情況下，將有霍爾電阻平臺已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，公式：v 的各種分?jǐn)?shù)值但與整數(shù)量子霍爾效應(yīng)是不同的，對應(yīng)于對應(yīng)于這些阻力平臺的整體價值不是原來的量子霍爾效應(yīng)，但一些新的價值，因此把這種現(xiàn)象稱為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。材料的性能，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)和樣品的，無關(guān)的能帶結(jié)構(gòu)，這些點(diǎn)的二維電子氣系統(tǒng)是相同的。一些及其普適的現(xiàn)象之后,很多實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出大多的分?jǐn)?shù)v所對應(yīng)的平和xx極小值。將所得出的這些分?jǐn)?shù)v寫作p/q 這些v可以分為以下幾類:1 當(dāng)分母q為奇數(shù), 分子p = 1 或p = q-1, 如等2 當(dāng)q為奇數(shù) , 1pq- 1 如 等3 當(dāng)q為偶數(shù), 例如.除了這些還觀測到 對應(yīng)的電導(dǎo)率xx隨著溫度T 而升高并且指數(shù)式增大 得出有:證明x是熱激活性的。 其中 是激活能從歷史的發(fā)展可以得出，在和量子霍爾效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，充分體現(xiàn)了當(dāng)代的磁性和物理研究的特點(diǎn)：一是使用范圍廣泛的條件下，高科技和新的實(shí)驗(yàn)為例，利用強(qiáng)大的磁場領(lǐng)域，在這些極端的物理條件研究超低溫度霍爾效應(yīng)；二是實(shí)驗(yàn)和理論研究之間的密切合作，并在實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象不僅及時、正確認(rèn)識的影響，為進(jìn)一步的研究提供了條件。在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)和理論的方法的組合是值得學(xué)習(xí)的，使用在今后的學(xué)習(xí)和研究【2】三 霍爾元件3.1霍爾器件 利用霍爾效應(yīng)器件制造的電子設(shè)備被稱為霍爾。霍爾效應(yīng)更為明顯，往往有較高的流動性開關(guān)材料，因?yàn)橹挥幸粋€高流動性，在同一領(lǐng)域，流速，因此加磁場后載流子收到的洛倫茲力就會大，霍爾效果會很明顯?；魻柶骷謩e為: 霍爾元件 和 霍爾集成電路 這兩大類，前者是一個簡單的霍爾芯片，當(dāng)接收放大霍爾電壓。，后者將信號處理電路集成在同一芯片。InSb霍爾器件的輸出特性，如圖（a）在控制電流，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾電壓VH的關(guān)系；圖（b）是磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到某一點(diǎn)時，控制電流和電壓之間的關(guān)系。約200 300mV的輸出電壓。 霍爾元件是磁傳感器，它能夠檢測到的磁場和其變型中，可以在各種相關(guān)磁場事項來使用。按照功能霍爾器件中，它們可分為：霍爾線性霍爾開關(guān)器件。前者是模擬輸出，它是數(shù)字輸出。3.2霍爾元件霍爾元件一般選擇采用N型鍺（Gen=3.900cm2/(Vs)）,銻化銦（InSb n=7.8m2/(Vs)）和砷化銦（InAn=3m2/(Vs)）這些半導(dǎo)體材料來制成。銻化銦元件的霍爾輸出電勢較大，受溫度的影響也相應(yīng)變大；鍺材料元件的輸出電勢小，但是受溫度影響小，線性度較好。所以采用砷化銦材料做霍爾元件受到更大的重視。 霍爾效應(yīng)和霍爾元件1.InSb霍爾元件的輸出特性 2.GaAs霍爾元件的輸出特性3.3霍爾元件的特點(diǎn)霍爾器件是基于霍爾效應(yīng)的工作?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，便于生活區(qū)，安裝，低功耗，高頻率（最高可達(dá)1MHz），并能承受沖擊，不怕灰塵，油污，水和鹽霧的污染或腐蝕。線性度好精密線性霍爾器件;霍爾開關(guān)設(shè)備無接觸，無磨損，潔凈的輸出波形，抖動，不反彈，重復(fù)的更高的定位精度。在一個比較寬的溫度范圍內(nèi)使用霍爾器件保護(hù)，可達(dá)-55 150 。取決于待檢測的對象的性質(zhì)可以分為：直接和間接的應(yīng)用。前者是直接通過檢測磁場或磁特性，并且其自身，這是該信息載體由磁場檢測到，由一些非電，例如，在提供人造物體檢測所檢測的非磁性的物理力，當(dāng)壓力，位移，速度，加速度，角速度，轉(zhuǎn)數(shù)和狀態(tài)變化被轉(zhuǎn)換成電能，以便檢測和控制?！?】四 霍爾效應(yīng)的應(yīng)用霍爾器件在靜止?fàn)顟B(tài)下感受磁場，而且結(jié)構(gòu)簡單、堅固，由于是以多數(shù)載流子為主，頻率響應(yīng)寬，壽命長，可靠性高。所以，目前在自動化技術(shù)以及信息處理等方面得到廣泛的應(yīng)用。（1）工程技術(shù)中的應(yīng)用1.測量電流強(qiáng)度： 在該圖中，經(jīng)過校準(zhǔn)的霍爾效應(yīng)器件來顯示的輸出電流值可直接從霍爾輸出電壓的測量值獲得的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單，測量精度和線性很高?？梢詼y量直流，交流，以及各種電流波形。但它的測量范圍，帶寬等受到一定的限制。在這種應(yīng)用中，霍爾效應(yīng)磁場檢測裝置，用于檢測磁感應(yīng)鐵心間隙。后的電流增大時，磁芯會飽和;當(dāng)頻率增大時，渦流損耗在核心，還將增加磁滯損耗。這些將不會對測量精度產(chǎn)生影響。當(dāng)然，改進(jìn)可能是必要的，以減少這些影響，如基片的選擇的高飽和磁通密度;多層核心;使用用于檢測等等多個霍爾元件?；魻栃?yīng)電流傳感器，其相對便宜，易于使用，已被廣泛使用。 應(yīng)用霍爾效應(yīng)來測量電流2.壓力傳感器： 霍爾傳感器是彈性構(gòu)件的壓部，和一個霍爾元件磁系統(tǒng)等，如圖（a）該彈性體是一種膜盒，（b）一種彈簧，（c）是波紋管。磁系統(tǒng)最好能夠使用均勻磁場梯度的復(fù)合體系來形成，如圖（a）和（b）所示，單個磁體也可以使用，如（c）所示。同的壓力，以使磁體系統(tǒng)和霍爾元件之間的相對位移，一個磁場施加來改變霍爾元件，從而改變它的輸出電壓VH。通過在pF（V H）預(yù)先校準(zhǔn)，得到測得的壓力p的曲線的值。【4】（2）日常生活中的應(yīng)用日常生活中，有許多設(shè)備被應(yīng)用到的霍爾效應(yīng)。如果刻錄機(jī)的換向機(jī)構(gòu)適用的霍爾效應(yīng)傳感器檢測到磁帶，并完成換向功能的重點(diǎn);洗衣機(jī)電機(jī)必須有正，反轉(zhuǎn)和高，低速旋轉(zhuǎn)，主要依靠霍爾效應(yīng)傳感器和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向來實(shí)現(xiàn)?；魻栯妱訖C(jī)是無刷電動機(jī)，使用變速信號限制的霍爾電壓變化的數(shù)量，從而調(diào)整管驅(qū)動電路的電流，即調(diào)整電動機(jī)定子的繞組的電流的控制，以及電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定速度控制，克服了一般一個換向器直流電動機(jī)可實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定，壽命長，噪音低的缺點(diǎn)，大量的應(yīng)用程序和DVD播放機(jī)等家用電器和電表?；魻栃?yīng)的運(yùn)動探測器，還可以做成電子警報器，老人或誰昏迷，可當(dāng)鬧鐘響起的情況下落難的消防隊員，還可以在車輛用途發(fā)揮防盜裝置。還有在手機(jī)中霍爾效應(yīng)傳感器主要應(yīng)用在翻蓋或滑蓋的控制電路中，通過翻蓋或滑蓋的動作來控制掛掉電話或接聽電話、鎖定鍵盤及解除鍵盤鎖等【5】在電動霍爾效應(yīng)電路，以抑制電磁干擾的另一例子是汽車的電源開關(guān)。自動化程度高為更多的汽車，微電子電路，電磁干擾的恐懼。并且還有許多電氣元件燈和浪涌電流時，在車內(nèi)的開關(guān)，從而使機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧，更大的電磁干擾信號。使用電源開關(guān)電路博物館可以減少這些現(xiàn)象?；魻柶骷ㄟ^檢測磁場的變化被轉(zhuǎn)換成電信號輸出，可用于監(jiān)測變化的汽車零件和測量操作參數(shù)。例如，位置，位移，角度，角速度，旋轉(zhuǎn)速度等，并且這些輔助變量;測量壓力，質(zhì)量，水平，流量等霍爾器件直接輸出到電子控制單元的接口，以實(shí)現(xiàn)自動檢測。目前的霍爾器件能承受一定的振動可以在零下40攝氏度的工作，以150攝氏度，完全密封，以防止污染的水和油，完全能夠適應(yīng)汽車的惡劣環(huán)境。【6】（3）科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用在科學(xué)技術(shù)中霍爾傳感器應(yīng)用在通訊應(yīng)用中應(yīng)用的相當(dāng)廣泛。例如我國的 “神舟”飛船就裝有特制的霍爾傳感器。五 結(jié)語霍爾效應(yīng)是一種發(fā)現(xiàn)研究甚至于應(yīng)用都已相當(dāng)早并且普及的物理效應(yīng)了，但伴隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展和更多高新技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，在更多的新實(shí)驗(yàn)條件下得到了新的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展。從最早霍爾效應(yīng)至量子霍爾效應(yīng)，在研究上都已經(jīng)取得了非常大的新科研成果，這些成果都對物理學(xué)的更進(jìn)一步發(fā)展研究以及