Hall effect 修改.ppt

1、1,Hall effect (霍尔效应）,第九组 杨宇 谢桂腾 唐茂 高洁聪,1,2,引言,霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。,2,3,在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会

2、使得导线中的电子与电洞受到不同方向的洛伦兹力而往不同方向上聚集，在聚集起来的电子与电洞之间会产生电场，此电场将会使后来的电子电洞受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子电洞能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。,3,4,霍耳效应,1.霍耳现象,薄片通有电流时,在两边出现 电势差的现象称霍耳效应.,垂直磁场的导体,2.原理,载流子受洛伦兹力横向漂移.,以金属 为例:,Fm=evB,vB 方向向内,Fm=evB,方向向外,霍耳电场EH,方向向外,电场力Fe,方向向内,电场力Fe与磁场力Fm平衡,Fe=Fm,eEH=evB,EH=vB,UH=hEH=hvB,

3、而I=nevS=nevhb,有v=I/(nehb),4,5,UH=hIB/(nehb),=IB/(neb),写成一般形式,UH=IB/(nqb),3.霍耳系数,(2).霍耳元件的霍耳灵敏度,UH =1/(nq)(IB/b),(1).霍耳系数,R=1/(nq),取决于导电材料的固有性质.,=R(IB/b),UH =1/(nqb)(IB),KH=1/(nqb),取决于霍耳元件本身的 导电 性质nq与几何尺寸b.,=KHIB,UH/I=B/(nqb)具有电阻量纲,(3).霍耳电阻,RH=B/(nqb),UH =RHI,4.讨论载流子受磁力的方向,在电流方向,磁场方向不变的 条件下,正负载流子受磁场力

4、 的方向不同,这才使得霍耳电,势差的极性不同,这是用于判 断载流子正负的理论依据.,判断载流子正负, 测电流, 测 磁场,测载流子浓度等.,5.用途,5,6,4、 应用举例,从 a端通入电流I，根据霍尔 效应，左半部产生霍尔电势 VH1，右半部产生霍尔电 势VH2，其方向相反。因此， c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。,6,霍尔式位移传感器,7,磁流体发电机 正负离子以一定的速度射入 磁场，正负离子在洛伦兹力 的作用下分别向上下两个金 属极板偏转，金属极板外就 是连接着外

5、电路了，一段时 间后金属极板上积攒的电荷 产生的电场的电场力与洛伦 力平衡，离子再不偏转，即 qE=Bqv 。,7,8,磁流体发电机开发前景,1.由于他的发电方式是直接将热能转化为电能，没有中间的机械转化环节，降低了摩擦损耗，有效提高了发电效率。更重要的是，他与下一级的汽轮式发电机相结合，形成高效的联合循环发电机，总效率可高达60%。 2.由于前期的气体处理过程中加入钾盐和钠盐，使得燃烧气体中硫和氮的氧化物显著减少，降低废气对环境的污染程度。,8,燃煤磁流体发电,量子霍尔效应,量子霍尔效应,整数量子霍尔效应被马普所的德国物理学家冯克利青发 他因此获得1985年诺贝尔物理学奖。,量子霍尔效应，一

6、般被看作是整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的统称。,1998年诺贝尔物理奖授予Horst Stomer, 崔琦和Robert Laughlin, 以表彰他们发现分数量子霍尔效应及对这一新的量子液体的深刻理解. for their discovery of a new form of quantum fluid with fractionally charged excitations.,发现分数量子效应,Prof. Robert B. Laughlin DANIEL C. TSUI, 崔琦,整数量子霍尔效应（integer quantum Hall effect） 二维电子气系统在强磁和低温

7、条件下的霍尔效应表现出明显的量子化性质。1980年冯克利青（Von Klitzing）等人首先观测到了量子化霍尔效应。他们测量了Si MOSFET反型层中二维电子气系统中的电子在15T强磁场和低于液He温度下的霍尔电压VH，沿电流方向的电势差VP与栅压VG的关系。当磁场垂直于反型层，磁感应强度B与沿反型层流动的电流强度I保持不变时，改变栅压VG，可改变反型层中载流子密度ns。在正常的霍尔效应中应有VH1/VG（如果nsVG），但在强磁和低温下，某些VG间隔内，VH曲线出现平台，对应于平台时的VP最小趋近于零，由此得到的霍尔电阻XY=-VH/I是量子化的，其值为 它只与物理常数h（普朗克常数）和

8、q有关。霍尔电阻与整数i相联系的量子化性质称整数量子霍尔效应。在1K以下，实验还进一步观察到i为分数的霍尔平台，即分数量子化霍尔效应。在调制掺杂的GaAs-GaAlAs等异质结构中也能观测到量子化霍尔效应。,第一种模式是磁场不随霍尔电阻变化。这种模式发生在样品有栅极的情况。它的特点是当磁场恒定、栅极电压改变时：能级和磁通量都与i/n成正比。如果载流子数恒定，那么霍尔电流可以与i/n的平方根成反比、霍尔电动势与i/n的平方根成正比。如果载流子数可变，那么霍尔电流可以被稳定，因此霍尔电动势与i/n成正比。 第二种模式是磁场与霍尔电阻成正比。这种模式的样品没有栅极，它的特点是：当磁场增加时，载流子旋转半径恒定，霍尔电动势与磁场成正比。 第三种模式是磁场与霍尔电阻成反比。其特征是：当磁场增加时，能级和霍尔电动势恒定，霍尔电