霍尔效应的发展及应用(1).pdf

2010 04 20XUEBAO 文章编号 1671 802X 2010 02 0031 04 霍尔效应的发展及应用 张勇 孟建新 杨红英 张银铃 收稿日期 2010 01 20 作者简介 张勇 1977 男 教员 计算机技术工程硕士 主研究方向 物理仿真实验 计算机应用 电子应用 解放军坦克学院基础部实验中心 安徽 蚌埠 233050 摘 要 霍尔效应是一种发现 研究和应用都很早的磁电效应 随着半导体物理学的迅速发展 霍尔效应中的霍尔系数 和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一 利用该效应制成的霍尔器件 由于结构简单 寿命长 可靠性高等 优点 已广泛用于非电量测量 自动控制和信息处理等方面 本文就此对霍尔效应发展以及应用做简单的论述 关键词 霍尔效应 霍尔传感器 中图分类号 O441 文献标识码 B 引言 霍尔效应是霍尔 Edw i m HerbertHal l德国物理学家 于 1879年在他的导师罗兰的指导下发现的这一效应 近年来 由于新型半导体材料和低维物理学的发展使得 人们对霍尔效应的研究取得了许多突破性进展 冯 克利 青发现了量子霍尔效应 为此 冯 克利青获得 1985年度诺 贝尔物理学奖 美籍华裔物理学家崔琦 美籍德裔物理学家 施特默 H L Stormer 和美国物理学家劳克林 R B Laugh lin 因在发现分数量子霍尔效应方面所作出的杰出贡献而荣 获 1998年度诺贝尔物理学奖 这一领域因两次授予诺贝尔 奖而引起了人们广泛的兴趣 而崔琦也成为第六位获得诺贝 尔奖的华裔科学家 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 而且随着电子技术的发展 利用该效应制成的霍尔器 件 由于结构简单 频率响应宽 高达 10GHz 寿命长 可靠 性高等优点 已广泛用于非电量测量 自动控制和信息处理 等方面 1 霍尔效应基本原理 1 1经典霍尔效应 所谓霍尔效应 是指磁场作用于载流金属导体 半导体 中的载流子时 产生横向电位差的物理现象 如果在一块矩 形半导体薄片上沿 X轴方向通以电流 Is 在 Z轴方向上加磁 场 B 则在垂直于电流和磁场的方向 即 Y 轴方向 上产生电 势差 VH 这一现象称为霍尔效应 VH称为霍尔电压 产生 霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载 流子 N型半导体中的载流子是带负电荷的电子 P型半导 体中的载流子是带正电荷的空穴 在磁场中所受到的洛仑兹 力作用而产生的 图 1 两种形式的样品 图 2 霍尔效应的产生 一块长为 a 宽为 b 厚为 d的 N 型硅单晶薄片 置于沿 Z轴方向的磁场中 沿 IS方向通电流 载流子受的洛仑兹力 Fm ev B 形成霍尔电场 EH 电场力 FE eEH 达到动 态平衡时 Fm Fe 0 即 ev B eEH 0 有 EH vB a 霍尔电压 VH EHb b 通过样片横截面的电流 IS nebdv c 31 2010年第 2期 第 9卷 总第 47期 安徽电子信息职业技术学院学报 J OURNALOFANHUIVOCATIONAL COLLECE OF ELECTRONICS 如果要求被测磁场精度较低 体积要求不高 如 精度低于 0 5 时 则可选用硅和锗霍尔元件 图 4 霍尔效应测磁感应强度系统电路图 2 2磁流体发电机 如图 5所示 平行板间距为 d 金属板长为 a 宽为 b 其 间匀强磁场的磁感应强度为 B 通过板间的等离子体流速 为 v 电阻率为 从一侧沿垂直磁场且与极板平行的方向 射入板间 图 5 磁流体发电机示意图 32 技 术 园 地 张勇 孟建新 杨红英 张银铃 霍尔效应的发展及应用 第 2期 2010 04 20XUEBAO 磁流体发电机采用的导电流体一般是导电的气体 也可 以是液态金属 常温下的气体是绝缘体 只有在很高的温度 下 例如 6000K 以上 才能电离 才能导电 当这种气体以很 高的速度通过磁场时 就可以实现具有工业实用价值的磁流 体发电机 如图 5 当等离子体进入板间时 其中正离子 速 度向右 受向上的洛伦兹力聚集上板 而负离子 速度也向 右 受向下的洛伦兹力聚集下板 使上下两板间产生自上而 下的电场 后续的正 负离子 受向上 下 的洛伦兹力和向 下 上 的电场力 也很快达到一种动态平衡 两板间存在稳 定的电势差满足 qvB qU d U dvB 此时两板就相当于一 个电源 电动势 E dvB 内阻 r d ab 当然 依此原理可 制作测定磁感应度的仪器 磁强计 2 3电磁流量计 如图 6 在非磁性材质做的圆管道外加一匀强磁场区域 设圆管直径为 D 磁感应强度为 B 当管中的导体流以速率 v流动时 假设向右 流体中正负电荷受向上和向下的洛伦 兹力而向上 下聚集 上下两表面间产生一电场 ab间存在 一电势差 U 同样道理 后续的正负电荷受到的洛伦兹力和 电场力很快达到一种动态平衡 满足 qvB qU D 而导电流 体的流量 Q V D 2 2 DU 4B 图 6 电磁流量计原理图 由此可见 在确定了 D 和 B的前提下 只要测出 a b间 的电势差 U 就可知通过此圆管的流量 2 4测量半导体特性 霍尔效应对于诸多半导体材料和高温超导体的性质测 量来说意义重大 设导体中电流方向如图 2所示 如果载流 子带负电 它的运动方向和电流方向相反 作用在它上面的 洛伦兹力向下 因此 导体上界面带正电 下界面带负电 如 果载流子带正电 则导体上界面带负电而下界面带正电 由 此可以看出 只要测得上下界面间霍尔电压的符号就可以确 定载流子的符号 用这种方法就能够测定半导体究竟是 P 型还是 N型 如果载流子已知 则通过测定霍尔系数 K 还 可算出导体中载流子的浓度 n 进而得出载流子浓度受其客 观因素影响的情况 2 5霍尔传感器以及霍尔开关 霍尔电动势是关于 I B 三个变量的函数 即 EH KHIBcos 使其中两个量不变 将第三个量作为变量 或者固 定其中一个量 其余两个量都作为变量 三个变量的多种组 合等 1 维持 I 不变 则 EH f B 这方面的应用有 测量 磁场强度的高斯计 测量转速的霍尔转速表 磁性产品计数 器 霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔加速度 计 微压力计等 2 维持 I B不变 则 EH f 这方面的应用有角位移 测量仪等 3 维持 不变 则 EH f I B 即传感器的输出 EH 与 I B的乘积成正比 这方面的应用有模拟乘法器 霍尔功率计 电能表等 以霍尔效应原理构成的霍尔元件 霍尔集成电路 霍尔 组件通称为霍尔效应磁敏传感器 简称霍尔传感器 利用这 一原理还可以进一步精确测量力 位移 压差 角度 振动 转 速 加速度等各种非电学量 霍尔传感器在日常生活和工业 生产中应用广泛 2 5 1角位移测量仪 角位移测量仪结构示意图如图 7所示 霍尔器件与被 测物连动 而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动 于是霍 尔电动势 EH就反映了转角 的变化 图 7 角位移测量仪结构示意图 1 极靴 2 霍尔器件 3 励磁线圈 2 5 2霍尔接近开关 霍尔接近开关应用示意图如图 8所示 在图 8b中 磁 极的轴线与霍尔接近开关的轴线在同一直线上 当磁铁随 运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时 霍尔接近开关的 输出由高电平变为低电平 经驱动电路使继电器吸合或释 放 控制运动部件停止移动 否则将撞坏霍尔接近开关 起到 限位的作用 2 5 3霍尔电流传感器 能够测量直流电流 弱电回路与主回路隔离 能够输出 与被测电流波形相同的 跟随电压 容易与计算机及二次仪 表接口 准确度高 线性度好 响应时间快 频带宽 不会产生 33 技 术 园 地 张勇 孟建新 杨红英 张银铃 霍尔效应的发展及应用 第 2期 XUEBAO2010 04 20 图 8 霍尔接近开关应用示意图 a 外形 b 接近式 c 滑过式 d 分流翼片式 1 运动部件 2 软铁分流翼片 过电压等 其工作原理如下 用一环形 有时也可以是方形 导磁材 料作成铁心 套在被测电流流过的导线 也称电流母线 上 将导线中电流感生的磁场聚集在铁心中 在铁心上开一与 霍尔传感器厚度相等的气隙 将霍尔线性 IC紧紧地夹在气 隙中央 电流母线通电后 磁力线就集中通过铁心中的霍尔 IC 霍尔 IC就输出与被测电流成正比的输出电压或电流 霍 尔电流传感器原理及外形如图 9所示 图 9 霍尔电流传感器原理及外形 a 基本原理 b 外形 1 被测电流母线 2 铁心 3 线性霍尔 I C 此外 汽车点火系统 设计者将霍尔传感器放在分电器内取 代机械断电器 用作点火脉冲发生器 这种霍尔式点火脉冲 发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲 电压 控制电控单元 ECU 的初级电流 相对于机械断电器 而言 霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护 能够适应恶劣 的工作环境 还能精确地控制点火正时 能够较大幅度提高 发动机的性能 具有明显的优势 另外用作汽车开关电路上 的功率霍尔电路 具有抑制电磁干扰的作用 许多人都知 道 轿车的自动化程度越高 微电子电路越多 就越怕电磁干 扰 而在汽车上有许多灯具和电器件 尤其是功率较大的前 照灯 空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流 使 机械式开关触点产生电弧 产生较大的电磁干扰信号 采用 功率霍尔开关电路可以减小这些现象 3 结束语 霍尔效应是一种发现 研究和应用都很早的磁电效应 从经典霍尔效应到整数量子霍尔效应再到分数量子霍尔效 应 已经取得了不少科研成果 最近几年里 人们的兴趣主 要集中在量子霍尔器件上 而电子在量子霍尔磁场中的自旋 已成为研究领域的课题 分数量子霍尔效应开创了一个新 的研究多体现象的新时代 新的物理效应有可能开拓出新的 学科领域 这将进一步影响到物理学的很多分支 目前 人类社会正逐渐由工业化时代向信息化时代迈 进 作为感知 采集 转换 传输和处理各种信息必不可少的 功能器件之传感器 已成为与微机同等重要的技术工具 特 别是霍尔效应磁敏传感器一问世 就因它的高可靠性 高灵 敏度和好的温度稳定性 在工业 军