论霍尔效应的应用和发展.doc

南京理工大学紫金学院 08级第四教育班电科班080403130 李超 论霍尔效应的应用和发展摘要：当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。导体中的电荷在电场作用下沿电流方向运动，由于存在垂直于电流方向的磁场，电荷受到洛伦兹力，产生偏转，偏转的方向垂直于电流方向和磁场方向，而且正电荷和负电荷偏转的方向相反，这样就产生了电势差。关键词：电流 电场 磁场 电势差 On the Hall effect of the application and development Abstract：When the current through an external magnetic field perpendicular to the conductorsof, in conductorsof of perpendicular to the magnetic field and the current direction of two contrate between electric potential difference, this phenomenon is the Hall-effect. The electric potential difference is also called the Hall-electric potential difference Of charge in an electric field along the current direction of movement, because there are perpendicular to the direction of the magnetic field, charge be Lorentz force created pianzhuan, pianzhuan in the direction perpendicular to the direction and the direction of magnetic field, and the positive charges and negative charges in the direction of pianzhuan and instead there electric potential difference. Keywords: electricity 、electric field、magnetic field1引言：置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。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的电测量、自动控制和信息处理等方面。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，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。（1）霍尔效应简介：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的作用而引起的偏转。当带电粒子被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场。如下图1所示，磁场B位于Z的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is（称为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材料），它沿着与电流Is相反的X负向运动。由于洛仑兹力f L作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力 f E的作用。随着电荷积累的增加，f E增大，当两力大小相等（方向相反）时， f L=f E，则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势差称为霍尔电势VH 。设电子按平均速度，向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛仑兹力为：f L=eB式中：e 为电子电量，为电子漂移平均速度，B为磁感应强度。同时，电场作用于电子的力为：f El 图1 霍尔效应原理（2）霍尔效应的发展：自从霍尔效应被发现100多年以来，它的应用经历了三个阶段：第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。最初，由于金属材料中的电子浓度很大，而霍尔效应十分微弱，所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器，但实用价值不大，到了l910年有人用金属铋制成霍尔元件，作为磁场传感器。但是，由于当时未找到更合适的材料，研究处于停顿状态。第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出现之后，随着半导体材料、制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件，特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器。第三阶段是自20世纪60年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。进入20世纪80年代，随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展，霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。霍尔集成电路出现以后，很快便得到了广泛应用。（3）实验中的注意事项：霍尔元件及二维移动标尺易于折断，变形等损坏，应注意避免受挤压、碰撞等。试验前应检查两者及电磁片是否松动、移位并加以调整。二维移动标尺的移动范围是有限的，所以，当他后来移动到极限时，就不能继续使劲拧动了，否则二维移动标尺非常容易损坏。为了不是电磁铁过热而受到损害和宁夏测量精度，说在短时间内测量和组织有关数据，通过励磁电流IM外，其余时间最好断开励磁电源开关。仪器不宜在强光照射下，以及高温、强磁场和有腐蚀气体环境下工作和存放。（4）霍尔效应的应用： 测量载流子浓度，测量磁场强度，测量电流强度，测量微小位移，压力传感器，霍尔加速度传感器。人们在利用霍尔效应开发的各种传感器，磁罗盘、磁头、电流传感器、非接触开关、接近开关、位置、角度、速度、加速度传感器、压力变送器、无刷直流电机以及各种函数发生器、运算器等,已广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理各个方面。仅在汽车的电子系统中，使用霍尔IC的就有十几处。如点火控制、发动机速度检测、燃料喷射控制、底盘控制、门锁控制以及方位导航控制等。除了己非常成熟的双极型霍尔IC外，应用CMOS和Si CMOS技术的霍尔产品业已广泛使用，MOS霍尔IC的功耗更低，功能更强。霍尔IC的种类较多，大致可分为霍尔线性IC和霍尔开关IC。前者的输出与磁场成正比，用于各种参量的测量：后者的输出为高、低电平两利，状态，常用于无刷电机和汽车点火装置中。此外，大功率的霍尔IC的应用也非常广泛，它将功率驱动级和各种保护电路集成到霍尔IC中，使得器件具有很强的驱动能力，它们可直接驱动无刷电动机，也常用在汽车中作开关器件。在实际使用中，经常将霍尔集成电路(有时也用霍尔元件)与永磁体、软磁材料等封装在一起，组成适用于特定应用场合的霍尔传感器组件。 在国内，除南京中旭微电子公司可大量生产霍尔集成电路、营口华光传感元件厂可批量生产薄膜磁阻器件、西南应用磁学研究所可批量生产威根德器件外，其余各类也有研制和小批量生产。据预测：1995年，国内有41家企业生产磁传感器，总产量为2780万只.其中，霍尔器件1730万只，结型磁敏元件90万只，磁电阻元件850万只，威根德元件110万只.虽然其余各种磁传感器都有厂、所、校在进行研制，品种基本齐全，但仍末形成规模化产业。 在国外，由于磁传感器已逐渐被广泛而大量地使用，有许多企业竞相研制和生产，形成一定规模的磁传感器产业。霍尔器件是半导体磁传感器中最成熟和产量最大的产品。旭化成(InSb霍尔元件)、Honeywell、A11egro(原称Sprague)、ITT、Siemens(霍尔电路)等均已大量生产。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生产了金属膜磁敏电阻器及集成电路。TDK、Sony、Matsusbita、Toshiba等巳批量生产非晶磁头等非晶金属磁传感器。还有LEM、Honeywell、F.WBell、NaNa等公司生产厂各种用途和量程的电流、电压传感器和其它类型的磁传感器组件，这些磁传感器都巳得到广泛的应用。结束语：综上所述，由于采用了微电子工艺，硅霍尔传感器能很好的适用于许多工业应用。近期硅霍尔传感器的研究进展开辟了许多新的应用，例如单芯片三维高精度磁探头，无触点角位置测量，微电机的精确控制，微型电流传感器和磁断续器，以及今后将被开发的其他崭新应用。此外，为了提高电压灵敏度和横向温度灵敏度、减少失调电压,还将出现