霍尔效应及应用[1]

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1、自动的检测与转换技霍尔传感器论文系部电器工程系专业机电一体化班级10233姓名王永学号1023325云南机电技术学院2011年12月16日星期五前言霍尔效应在当今科学技术的许多领域都有着广泛的应用，如测量技术、电子技术、自动化技术等。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。德国物理学家克利青(K.V.Klitzing)因发现量子霍尔效应而荣获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.Laughlin)因在发现分数量子霍尔

2、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，崔琦也成为第六位获得诺贝尔奖的华裔科学家。本文系统阐述了霍尔效应及应用，并详细介绍了国内外有关量子霍尔效应研究的新进展。1、霍尔效应1897年，美国物理学家霍尔（E.H.Hall）经过大量实验发现;如果让一恒定电流通过过一金属薄片，并将金属薄片置于强磁场中再金属薄片的两端将产生与磁场强度成正比的电动势。霍尔效应：在半导体薄片两端通一控制电流I,并在薄片的垂直方向视角磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向，将产生电势差为UH的霍尔电压。

3、这种现象叫做霍尔效应。（如图1所示）由实验可知：流入激励电流端的电流I越大,作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电动势也就越高。霍尔电动势UH的表达式为UH=KHIBcosΘ式中KH——霍尔元件灵敏度。根据霍尔效应，人们利用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。该元件广泛的利用在测量，自计算机以及信息技术等领域得到了广泛的利用。霍尔器件具有许多优点，他们结构牢固，体积小，重量轻，寿命长安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘，水汽，油污以及盐雾等污染或腐蚀。3.霍尔传感器的工作原理磁场平衡式霍尔电流传感器是由原边电路、聚磁环、霍尔元件、次级线圈、放大器等组成，

4、如图所示。其工作原理是磁场平衡式的，即原边电流所产生的磁场，用通过次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零磁通的工作状态。具体工作过程为：当原边回路有一大电流IP流过时，在导线周围产生一个强的磁场HP，这一磁场被聚磁环聚集，并感应霍尔元件，使其有一个信号输出Uh，这一信号经放大器N放大，再输入到功率放大器中，这时相应的功率管导通，从而获得一个补偿电流Is。由于这一电流要通过很多匝绕组，多匝导线所产生的磁场Hs与原边电流所产生的磁场Hp方向相反，因而相互抵消，引起磁路中总的磁场变小，使霍尔器件的输出逐渐减小，最后当Is与匝数相乘所产生的

5、磁场Hs与Ip所产生的磁场Hp相等时，达到磁场平衡，Is不再增加，这时霍尔元件就处于零磁通检测状态。4、霍尔效应的应用一般而言，金属和电解质的霍尔系数很小，霍尔效应不显著；半导体的霍尔系数则大得多，霍尔效应显著。从20世纪60年代起，随着半导体材料和半导体工艺的飞速发展，人们发现用半导体材料制成的霍尔元件具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，将其广泛应用于电磁测量、非电量测量、自动控制、计算与通讯装置中。(1)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1

6、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。如由Lake　Shore公司推出的Lake　Shore7500系统，配备专门为7500设计的IDEAS软件，操作简单、精确，可用于测量样品的电阻、电阻率、霍尔系数、

7、霍尔迁移率、载波密度和电子特性，能够满足人们多方面的测量需要。(2)测量磁场利用霍尔效应可以制造精确测量磁感应强度的仪器——高斯计。高斯计的探头是一个霍尔元件，在它的里面是一个半导体薄片。依据（1）式，U可用毫伏计测量，K、I也可用相应的仪器测量，因此，就可以方便地算出B值。高斯计的表盘是以磁感应强度标记的，只要把高斯计插入待测磁场中，B便可以直接读出，非常方便。如果要求被测磁场精度较高，如优于±0.5%，那么，通常选用砷化镓霍尔元件，其灵敏度高，约为5-10mt/100mt.mA，温度误差可以忽略不计；如果要求被测磁场精度较低，体积要求不高，如精度低于

8、±0.5%时，则可选用硅和锗霍尔元件。(3)　磁流体发电从20世纪50年代末开始