对霍尔效应及霍尔元件及其应用的研究.doc

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1、对霍尔效应及其应用的研究班级：南医1班学号：0904080113姓名：王沁雪摘要：金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。　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。霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。关键词：霍尔效应，霍尔器件，霍尔元件，霍尔电路一、霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的

2、。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。霍尔电势差的产生可以用经典电子理论来解释。以金属导体为例，其载流子为自由电子。设导体板厚度为d，宽度为b，放在磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于导体版面，如图1所示。自由电子平均漂移速率为v，载流子浓度为n，则电流为I=envdb则v=I/endbv就是形成电流的自由电子作定向运动的速率，与电流方向相反。自由电子在洛伦兹力（fB=evB）的作用下，将向金属板的左侧

3、漂移，是的金属板左侧积累负电荷。金属板的右侧因缺少电子耳形成正电荷积累，从而在板内形成横向电场EH，称为霍尔电场。使得电子在导体内还将受到方向向右的电场力作用，其大小为fE=eEH随着导体板两侧的电荷的累积，电场力逐渐增大，直至fB=fE，即evB=eEH这时横向电场EH达到稳定，导体左右两侧出现稳定的霍尔电势差，设导体板左侧电势为V1，右侧电势为V2，则有VH=V1-V2=-EHb=-Bbv=-IB/ned=RHIB/d式中RH=-I/ne称为霍尔系数。如果载流子是正电荷q，在电流和磁场方向相同的情况下

4、，正电荷在左侧，负电荷在右侧累积，霍尔系数为RH=I/nq二、霍尔效应的发展在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青(KlausvonKlitzing,1943-)等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍尔效应（运动电荷受到了磁场的作用力，从而运动方向发生偏转，这个力通常叫做洛伦兹力，它为荷兰物理学家H.A.洛伦兹首先提出，故得名。），这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一，克利青为此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。　　之后，美籍华裔物理学家崔琦(DanielCheeTsui,1939-)

5、和美国物理学家劳克林(RobertB.Laughlin，1950-)、施特默(HorstL.Strmer，1949-)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。最近，复旦校友、斯坦福教授张首晟与母校合作开展了“量子自旋霍尔效应”的研究。“量子自旋霍尔效应”最先由张首晟教授预言，之后被实验证实。这一成果是美国《科学》杂志评出的2007年十大科学进展之一。如果这一效应在室温下工作，它可能导致新的低功率的“自旋电子学”

6、计算设备的产生。三、霍尔器件霍尔器件分为:霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。1、霍尔元件霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。　　InSb和GaAs霍尔元件输出特性见图2(a)、图2(b).图2（a）InSb霍尔元件的输出特性图2（b）GaAs霍尔元件的输出特性1、霍尔电路（1）霍尔线性电路它由霍尔元件、差分放大

7、器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例。这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。霍尔线性电路的功能框图（2）霍尔开关电路霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的

8、抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框图（3）差动霍尔电路(双霍尔电路)它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成。使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。差动霍尔电路的工作原理图（1）其它霍尔电路除上述各种霍尔器件外，目前还出现了许多特殊功能的霍尔电路，如功率霍尔电路