霍尔效应的原理及应用.doc

. 学号：1003618095河南大学民生学院毕 业 论 文（2014届）年 级2010级 专 业 班 级电子信息科学与技术 学 生 姓 名范博 指导教师姓名翟俊梅 指导教师职称副教授 论文完成时间2014-04-22 河南大学民生学院教务部二一三年印制.目录摘要1一 霍尔效应21.1经典霍尔效应21.2经典霍尔效应误差3二 量子霍尔定律3三 霍尔元件63.1霍尔器件63.2霍尔元件73.3霍尔元件的特点8四 霍尔效应的应用8（1）工程技术中的应用9（2）日常生活中的应用10（3）科学技术中的应用11五 结语11六 参考文献12. 霍尔效应的原理及应用范博（河南大学民生学院，河南 开封，475004）摘要 霍尔效应是电磁效应，这种现象是美国的物理学家霍尔于1879年在校读研期间将载流子的导体放入磁场中的做受力作用实验的时候发现的。实验中电流垂直在导体的外磁场并通过导体时，导体垂直磁场与电流两个方向的端面之间就会产生出一种电势差，产生的这种现象就是霍尔效应。在实在验中产生的电势差被名为霍尔电势差。 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.一 霍尔效应1.1经典霍尔效应1897年，霍尔于马里兰Johns opkins大学读研究生。当时还并没有人发现电子的存在，也没有人知道金属具有导电的原理。霍尔通过学习注意到物理学家埃德隆与物理学家麦克斯韦关于某个问题产生的分歧，于是在霍耳的导师罗兰教授的帮助和支持下，通过实验来验证磁场对导线中的电流到底有无影响，霍尔在实验中却发现了一种从未见到的特殊现象：如下图所示，将带着有载流子导体板放入磁场当中，使磁场的方向垂直电流的方向，于导体板两侧也就是图中a 与b之间就会产生出横向的电势差U，这种现象就是由霍尔通过实验最先发现的，于是称这种现象为霍尔效应，在导体的两侧形成的电势U称之为霍尔电压。霍尔当时的发现震惊了科学界，许多科学家都转向这一研究领域。图1 霍尔效应霍尔效应也能从运动电荷受到的洛伦兹力这一理论中得到诠释。从实验中表明，霍尔电压u与磁感应强度b、电流I都成正比的，与板子的厚度d是成反比。退出的公式是：，在式中，是一比例常数，被称为霍尔系数，它是由导体或半导体材料的性质来决定的1.2经典霍尔效应误差(1) 下图中霍尔电压的测量点A和A很难做到最初在同一个等势面上，所产生的电压Vo=ISR，R为A和A两个测量点所在的两个等势面之间的电阻。图2霍尔效应中等势面影响(2)由现象本身所产生的电场和磁场，是可以通过电磁效应来产生出热电效应和热磁效应二 量子霍尔定律 1980年，德国物理学家Kvon Klitzing发现在低温状态下半导体硅所产生的霍尔效应所呈现并不是往常常规的那种直线形式，而是通过磁场的变化所展现出的跳跃性变化，实验中跳跃的阶梯大小是通过被整数除的基本物理常数来决定的，这种霍尔效应被称之为“整数量子霍尔效应”。在上述实验的情况下，霍尔电阻RH 将随着磁场的变化而呈现出一些量子化的电阻平台, 这些平台电阻的数值可以用后面的式子描述出来 式中h 表示为普朗克常数, e 电子电荷, i 正整数, 即可推出i = 1, 2, 3, . 由上式所表达出的量子化电阻率在目前所能测量水平的精度已经达到108以上的数量级, 这也为解决其他的问题打下一定的基础: 一方面提供一个绝对电阻标准：, 从1990 年起这种电阻标准已经被确认为是国际电阻标准; 另一方面可以确定出来精细的结构常数：, 这种结构常数可以用来验证一些理论的正确与否 如量子电动力学, 在这些理论中光速和真空电容率已经通过其它的方法得到精确测定 图3由上图所示我们可以看得出霍尔电阻平台是确实存在的。通过发现量子化霍尔电阻平台给人们展现出即使像这样非常薄的样品在强度很高磁场和超低温度状态这类极端的物理条件下, 已经被发现100余年并且得到多种应用的不同类型的霍尔效应而且出现新的现象。由于这些新发现的现象是一种宏观量子现象也被称作为宏观量子效应通过把新条件下所产生的新特点这类效应称为量子霍尔效应。经实验表明,如果二维电子处于强度较高的磁场或超低温度环境时在电阻率随磁场增大而发生变化的关系曲线, 每当达到特定磁感应强度B的时候，于电流子方向相同的电阻R就下降至0, 与此同时与电流垂直的霍尔电阻也会出现一个数值恒定的平台, 当磁感应强度B再次增加的时候, 电阻R也再次增加的过程中, 就又会在另外特定的磁感应强度B时再次出现电阻R降至0和霍尔电阻RH成为平台的这种现象。在K Von Klitzing实验发现整数量子霍尔效应的存在后不久，崔琦和赫萨德在1982时，整数量子霍尔效应在磁场20t和弱温度0 1K，的高迁移率的二维电子气系统的测量，发现霍尔平台的电阻是步结构具有更精确，在V =1/3和V =2/3两，在这种情况下，将有霍尔电阻平台已经被发现，公式：v 的各种分数值但与整数量子霍尔效应是不同的，对应于对应于这些阻力平台的整体价值不是原来的量子霍尔效应，但一些新的价值，因此把这种现象称为分数量子霍尔效应。材料的性能，分数量子霍尔效应和样品的，无关的能带结构，这些点的二维电子气系统是相同的。一些及其普适的现象之后,很多实验中展现出大多的分数v所对应的平和xx极小值。将所得出的这些分数v写作p/q 这些v可以分为以下几类:1 当分母q为奇数, 分子p = 1 或p = q-1, 如等2 当q为奇数 , 1pq- 1 如 等3 当q为偶数, 例如.除了这些还观测到 对应的电导率xx随着温度T 而升高并且指数式增大 得出有:证明x是热激活性的。 其中 是激活能从历史的发展可以得出，在和量子霍尔效应的研究发现，充分体现了当代的磁性和物理研究的特点：一是使用范围广泛的条件下，高科技和新的实验为例，利用强大的磁场领域，在这些极端的物理条件研究超低温度霍尔效应；二是实验和理论研究之间的密切合作，并在实验中所观察到的现象不仅及时、正确认识的影响，为进一步的研究提供了条件。在实验中，实验和理论的方法的组合是值得学习的，使用在今后的学习和研究【2】三 霍尔元件3.1霍尔器件 利用霍尔效应器件制造的电子设备被称为霍尔。霍尔效应更为明显，往往有较高的流动性开关材料，因为只有一个高流动性，在同一领域，流速，因此加磁场后载流子收到的洛伦兹力就会大，霍尔效果会很明显。霍尔器件分别为: 霍尔元件 和 霍尔集成电路 这两大类，前者是一个简单的霍尔芯片，当接收放大霍尔电压。，后者将信号处理电路集成在同一芯片。InSb霍尔器件的输出特性，如图（a）在控制电流，磁感应强度B和霍尔电压VH的关系；图（b）是磁感应强度达到某一点时，控制电流和电压之间的关系。约200 300mV的输出电压。 霍尔元件是磁传感器，它能够检测到的磁场和其变型中，可以在各种相关磁场事项来使用。按照功能霍尔器件中，它们可分为：霍尔线性霍尔开关器件。前者是模拟输出，它是数字输出。3.2霍尔元件霍尔元件一般选择采用N型锗（Gen=3.900cm2/(Vs)）,锑化铟（InSb n=7.8m2/(Vs)）和砷化铟（InAn=3m2/(Vs)）这些半导体材料来制成。锑化铟元件的霍尔输出电势较大，受温度的影响也相应变大；锗材料元件的输出电势小，但是受温度影响小，线性度较好。所以采用砷化铟材料做霍尔元件受到更大的重视。 霍尔效应和霍尔元件1.InSb霍尔元件的输出特性 2.GaAs霍尔元件的输出特性3.3霍尔元件的特点霍尔器件是基于霍尔效应的工作。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，便于生活区，安装，低功耗，高频率（最高可达1MHz），并能承受冲击，不怕灰尘，油污，水和盐雾的污染或腐蚀。线性度好精密线性霍尔器件;霍尔开关设备无接触，无磨损，洁净的输出波形，抖动，不反弹，重复的更高的定位精度。在一个比较宽的温度范围内使用霍尔器件保护，可达-55 150 。取决于待检测的对象的性质可以分为：直接和间接的应用。前者是直接通过检测磁场或磁特性，并且其自身，这是该信息载体由磁场检测到，由一些非电，例如，在提供人造物体检测所检测的非磁性的物理力，当压力，位移，速度，加速度，角速度，转数和状态变化被转换成电能，以便检测和控制。【2】四 霍尔效应的应用霍尔器件在静止状态下感受磁场，而且结构简单、坚固，由于是以多数载流子为主，频率响应宽，寿命长，可靠性高。所以，目前在自动化技术以及信息处理等方面得到广泛的应用。（1）工程技术中的应用1.测量电流强度： 在该图中，经过校准的霍尔效应器件来显示的输出电流值可直接从霍尔输出电压的测量值获得的。这种方法的优点是简单，测量精度和线性很高。可以测量直流，交流，以及各种电流波形。但它的测量范围，带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔效应磁场检测装置，用于检测磁感应铁心间隙。后的电流增大时，磁芯会饱和;当频率增大时，涡流损耗在核心，还将增加磁滞损耗。这些将不会对测量精度产生影响。当然，改进可能是必要的，以减少这些影响，如基片的选择的高饱和磁通密度;多层核心;使用用于检测等等多个霍尔元件。霍尔效应电流传感器，其相对便宜，易于使用，已被广泛使用。 应用霍尔效应来测量电流2.压力传感器： 霍尔传感器是弹性构件的压部，和一个霍尔元件磁系统等，如图（a）该弹性体是一种膜盒，（b）一种弹簧，（c）是波纹管。磁系统最好能够使用均匀磁场梯度的复合体系来形成，如图（a）和（b）所示，单个磁体也可以使用，如（c）所示。同的压力，以使磁体系统和霍尔元件之间的相对位移，一个磁场施加来改变霍尔元件，从而改变它的输出电压VH。通过在pF（V H）预先校准，得到测得的压力p的曲线的值。【4】（2）日常生活中的应用日常生活中，有许多设备被应用到的霍尔效应。如果刻录机的换向机构适用的霍尔效应传感器检测到磁带，并完成换向功能的重点;洗衣机电机必须有正，反转和高，低速旋转，主要依靠霍尔效应传感器和控制电机的转速，转向来实现。霍尔电动机是无刷电动机，使用变速信号限制的霍尔电压变化的数量，从而调整管驱动电路的电流，即调整电动机定子的绕组的电流的控制，以及电动机转速达到稳定速度控制，克服了一般一个换向器直流电动机可实现高速稳定，寿命长，噪音低的缺点，大量的应用程序和DVD播放机等家用电器和电表。霍尔效应的运动探测器，还可以做成电子警报器，老人或谁昏迷，可当闹钟响起的情况下落难的消防队员，还可以在车辆用途发挥防盗装置。还有在手机中霍尔效应传感器主要应用在翻盖或滑盖的控制电路中，通过翻盖或滑盖的动作来控制挂掉电话或接听电话、锁定键盘及解除键盘锁等【5】在电动霍尔效应电路，以抑制电磁干扰的另一例子是汽车的电源开关。自动化程度高为更多的汽车，微电子电路，电磁干扰的恐惧。并且还有许多电气元件灯和浪涌电流时，在车内的开关，从而使机械开关触点产生电弧，更大的电磁干扰信号。使用电源开关电路博物馆可以减少这些现象。霍尔器件通过检测磁场的变化被转换成电信号输出，可用于监测变化的汽车零件和测量操作参数。例如，位置，位移，角度，角速度，旋转速度等，并且这些辅助变量;测量压力，质量，水平，流量等霍尔器件直接输出到电子控制单元的接口，以实现自动检测。目前的霍尔器件能承受一定的振动可以在零下40摄氏度的工作，以150摄氏度，完全密封，以防止污染的水和油，完全能够适应汽车的恶劣环境。【6】（3）科学技术中的应用在科学技术中霍尔传感器应用在通讯应用中应用的相当广泛。例如我国的 “神舟”飞船就装有特制的霍尔传感器。五 结语霍尔效应是一种发现研究甚至于应用都已相当早并且普及的物理效应了，但伴随着物理学的不断发展和更多高新技术的实际应用，在更多的新实验条件下得到了新的发现与发展。从最早霍尔效应至量子霍尔效应，在研究上都已经取得了非常大的新科研成果，这些成果都对物理学的更进一步发展研究以及应