霍爾效應的原理及應用(共15頁)

1、河南大學民生學院本科畢業(yè)論文河南大學民生學院本科畢業(yè)論文 學號：1003618095河南大學民生(mnshng)學院畢 業(yè) 論 文（2014屆）年 級2010級 專 業(yè) 班 級電子信息科學與技術 學 生 姓 名范博 指導教師姓名翟俊梅 指導教師職稱副教授 論文完成時間2014-04-22 河南大學民生(mnshng)學院教務部二一三年印制(yn zh)目錄目錄目錄(ml) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc388120743 摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc388120743 h 1 HYPERLINK l _Toc388120744 一 霍爾效應(x

2、ioyng) PAGEREF _Toc388120744 h 2 HYPERLINK l _Toc388120745 1.1經典霍爾效應 PAGEREF _Toc388120745 h 2 HYPERLINK l _Toc388120746 1.2經典霍爾效應誤差 PAGEREF _Toc388120746 h 3 HYPERLINK l _Toc388120747 二 量子霍爾定律 PAGEREF _Toc388120747 h 3 HYPERLINK l _Toc388120748 三 霍爾元件 PAGEREF _Toc388120748 h 6 HYPERLINK l _Toc38812

3、0749 3.1霍爾器件 PAGEREF _Toc388120749 h 6 HYPERLINK l _Toc388120750 3.2霍爾元件 PAGEREF _Toc388120750 h 7 HYPERLINK l _Toc388120751 3.3霍爾元件的特點 PAGEREF _Toc388120751 h 8 HYPERLINK l _Toc388120752 四 霍爾效應的應用 PAGEREF _Toc388120752 h 8 HYPERLINK l _Toc388120753 （1）工程技術中的應用 PAGEREF _Toc388120753 h 9 HYPERLINK l

4、_Toc388120754 （2）日常生活中的應用 PAGEREF _Toc388120754 h 10 HYPERLINK l _Toc388120755 （3）科學技術中的應用 PAGEREF _Toc388120755 h 11 HYPERLINK l _Toc388120756 五 結語 PAGEREF _Toc388120756 h 11 HYPERLINK l _Toc388120757 六 參考文獻 PAGEREF _Toc388120757 h 12 河南大學民生學院本科畢業(yè)論文 霍爾效應的原理(yunl)及應用范博（河南大學民生(mnshng)學院，河南 開封，475004）

5、摘要(zhiyo) 霍爾效應是電磁效應，這種現象是美國的物理學家霍爾于1879年在校讀研期間將載流子的導體放入磁場中的做受力作用實驗的時候發(fā)現的。實驗中電流垂直在導體的外磁場并通過導體時，導體垂直磁場與電流兩個方向的端面之間就會產生出一種電勢差，產生的這種現象就是霍爾效應。在實在驗中產生的電勢差被名為霍爾電勢差。 Principle and Application of Hall effectAbstract：Hall effect is a kind of electromagnetic effect, This phenomenon is caused by the American ph

6、ysicist 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 curren

7、t 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 霍爾效應(xioyng)1.1經典(jngdin)霍爾效應1897年，霍爾于馬里蘭Johns opkins大學讀研究生。當時還并沒有人發(fā)

8、現電子的存在，也沒有人知道金屬具有導電的原理?；魻柾ㄟ^學習注意到物理學家埃德隆與物理學家麥克斯韋關于某個問題產生的分歧，于是在霍耳的導師羅蘭教授的幫助和支持下，通過實驗來驗證磁場對導線中的電流到底有無影響，霍爾在實驗中卻發(fā)現了一種從未見到的特殊現象：如下圖所示，將帶著有載流子導體板放入磁場當中，使磁場的方向垂直電流的方向，于導體板兩側(lin c)也就是圖中a 與b之間就會產生出橫向的電勢差U，這種現象就是由霍爾通過實驗最先發(fā)現的，于是稱這種現象為霍爾效應，在導體的兩側形成的電勢U稱之為霍爾電壓?；魻柈敃r的發(fā)現震驚了科學界，許多科學家都轉向這一研究領域。圖1 霍爾效應霍爾效應也能從運動電荷受到

9、的洛倫茲力這一理論中得到詮釋。從實驗中表明，霍爾電壓u與磁感應強度b、電流I都成正比的，與板子的厚度d是成反比。河南大學民生學院本科畢業(yè)論文退出(tuch)的公式是：，在式中，是一比例常數，被稱為霍爾系數，它是由導體或半導體材料(cilio)的性質來決定的1.2經典(jngdin)霍爾效應誤差(1) 下圖中霍爾電壓的測量點A和A很難做到最初在同一個等勢面上，所產生的電壓Vo=ISR，R為A和A兩個測量點所在的兩個等勢面之間的電阻。圖2霍爾效應中等勢面影響(2)由現象本身所產生的電場和磁場，是可以通過電磁效應來產生出熱電效應和熱磁效應二 量子霍爾定律 1980年，德國物理學家Kvon Klitz

10、ing發(fā)現在低溫狀態(tài)下半導體硅所產生的霍爾效應所呈現并不是往常常規(guī)的那種直線形式，而是通過磁場的變化所展現出的跳躍性變化，實驗中跳躍的階梯大小是通過被整數除的基本物理常數來決定的，這種霍爾效應被稱之為“整數量子霍爾效應”。在上述實驗的情況下，霍爾電阻RH 將隨著磁場的變化而呈現出一些量子化的電阻平臺, 這些平臺電阻的數值可以用后面的式子描述出來 式中h 表示為普朗克常數, e 電子(dinz)電荷, i 正整數, 即可推出i = 1, 2, 3, . 由上式所表達出的量子化電阻率在目前所能測量水平的精度(jn d)已經達到108以上(yshng)的數量級, 這也為解決其他的問題打下一定的基礎:

11、 一方面提供一個絕對電阻標準：, 從1990 年起這種電阻標準已經被確認為是國際電阻標準; 另一方面可以確定出來精細的結構常數：, 這種結構常數可以用來驗證一些理論的正確與否 如量子電動力學, 在這些理論中光速和真空電容率已經通過其它的方法得到精確測定 圖3由上圖所示我們可以看得出霍爾電阻平臺是確實存在的。通過發(fā)現量子化霍爾電阻平臺給人們展現出即使像這樣非常薄的樣品在強度很高磁場和超低溫度狀態(tài)這類極端的物理條件下, 已經被發(fā)現100余年并且得到多種應用的不同類型的霍爾效應而且出現新的現象。由于這些新發(fā)現的現象是一種宏觀量子現象也被稱作為宏觀量子效應通過把新條件下所產生的新特點這類效應稱為量子霍

12、爾效應。經實驗表明,如果二維電子處于強度較高的磁場或超低溫度環(huán)境時在電阻率隨磁場增大而發(fā)生變化的關系曲線, 每當達到特定磁感應強度B的時候，于電流子方向相同的電阻R就下降至0, 與此同時與電流垂直的霍爾電阻也會出現一個數值恒定的平臺, 當磁感應強度B再次增加的時候, 電阻R也再次增加的過程中, 就又會在另外特定的磁感應強度B時再次出現電阻R降至0和霍爾電阻RH成為平臺的這種現象。在K Von Klitzing實驗發(fā)現整數量子霍爾效應的存在后不久，崔琦和赫薩德在1982時，整數量子霍爾效應在磁場20t和弱溫度0 1K，的高遷移率的二維電子氣系統的測量，發(fā)現霍爾平臺的電阻是步結構具有更精確，在V

13、=1/3和V =2/3兩，在這種情況下，將有霍爾電阻平臺已經被發(fā)現，公式(gngsh)：v 的各種( zhn)分數值但與整數量子霍爾效應是不同的，對應于對應于這些阻力(zl)平臺的整體價值不是原來的量子霍爾效應，但一些新的價值，因此把這種現象稱為分數量子霍爾效應。材料的性能，分數量子霍爾效應和樣品的，無關的能帶結構，這些點的二維電子氣系統是相同的。一些及其普適的現象(xinxing)之后,很多實驗中展現出大多(ddu)的分數v所對應(duyng)的平和xx極小值。將所得出的這些分數v寫作p/q 這些v可以分為以下幾類:當分母q為奇數, 分子p = 1 或p = q-1, 如等當q為奇數 , 1

14、pq- 1 如 等當q為偶數, 例如.除了這些還觀測到 對應的電導率xx隨著溫度T 而升高并且指數式增大 得出有:證明x是熱激活性的。 其中 是激活能從歷史的發(fā)展可以得出，在和量子霍爾效應的研究發(fā)現，充分體現了當代的磁性和物理研究的特點：一是使用范圍廣泛的條件下，高科技和新的實驗為例，利用強大的磁場領域，在這些極端的物理條件研究超低溫度霍爾效應；二是實驗和理論研究之間的密切合作，并在實驗中所觀察到的現象不僅及時、正確認識的影響，為進一步的研究提供了條件。在實驗中，實驗和理論的方法的組合是值得學習的，使用在今后的學習和研究【2】三 霍爾元件3.1霍爾器件 利用霍爾效應器件制造的電子設備被稱為霍爾

15、。霍爾效應更為明顯，往往有較高的流動性開關材料，因為只有一個高流動性，在同一領域，流速，因此加磁場后載流子收到的洛倫茲力就會大，霍爾效果會很明顯?；魻柶骷謩e為: 霍爾元件 和 霍爾集成電路 這兩大類，前者是一個(y )簡單的霍爾芯片，當接收放大霍爾電壓。，后者將信號處理電路集成在同一芯片。InSb霍爾器件的輸出特性，如圖（a）在控制電流，磁感應強度B和霍爾電壓VH的關系；圖（b）是磁感應強度達到某一點時，控制電流和電壓之間的關系。約200 300mV的輸出電壓。 霍爾元件是磁傳感器，它能夠檢測到的磁場和其變型中，可以在各種相關磁場事項來使用。按照功能(gngnng)霍爾器件中，它們可分為：霍

16、爾線性霍爾開關器件。前者是模擬輸出，它是數字輸出。3.2霍爾元件(yunjin)霍爾元件一般選擇采用N型鍺（Gen=3.900cm2/(Vs)）,銻化銦（InSb n=7.8m2/(Vs)）和砷化銦（InAn=3m2/(Vs)）這些半導體材料來制成。銻化銦元件的霍爾輸出電勢較大，受溫度的影響也相應變大；鍺材料元件的輸出電勢小，但是受溫度影響小，線性度較好。所以采用砷化銦材料做霍爾元件受到更大的重視。 霍爾效應(xioyng)和霍爾元件1.InSb霍爾元件(yunjin)的輸出特性 2.GaAs霍爾元件(yunjin)的輸出特性3.3霍爾元件的特點霍爾器件是基于霍爾效應的工作?；魻柶骷哂性S多優(yōu)

17、點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，便于生活區(qū)，安裝，低功耗，高頻率（最高可達1MHz），并能承受沖擊，不怕灰塵，油污，水和鹽霧的污染或腐蝕。線性度好精密線性霍爾器件;霍爾開關設備無接觸，無磨損，潔凈的輸出波形，抖動，不反彈，重復的更高的定位精度。在一個比較寬的溫度范圍內使用霍爾器件保護，可達-55 150 。取決于待檢測的對象的性質可以分為：直接和間接的應用。前者是直接通過檢測磁場或磁特性，并且其自身，這是該信息載體由磁場檢測到，由一些非電，例如，在提供人造物體檢測所檢測的非磁性的物理力，當壓力，位移，速度，加速度，角速度，轉數和狀態(tài)變化被轉換成電能，以便檢測和控制?！?】四 霍爾效應(xi

18、oyng)的應用霍爾器件在靜止狀態(tài)下感受磁場(cchng)，而且結構簡單、堅固，由于是以多數載流子為主，頻率響應寬，壽命長，可靠性高。所以，目前在自動化技術以及(yj)信息處理等方面得到廣泛的應用。（1）工程技術中的應用1.測量電流強度： 在該圖中，經過校準的霍爾效應器件來顯示的輸出電流值可直接從霍爾輸出電壓的測量值獲得的。這種方法的優(yōu)點是簡單，測量精度和線性很高?？梢詼y量直流，交流，以及各種電流波形。但它的測量范圍，帶寬等受到一定的限制。在這種應用中，霍爾效應磁場檢測裝置，用于檢測磁感應鐵心間隙。后的電流增大時，磁芯會飽和;當頻率增大時，渦流損耗在核心，還將增加磁滯損耗。這些將不會對測量精度

19、產生影響。當然，改進可能是必要的，以減少這些影響，如基片的選擇的高飽和磁通密度;多層核心;使用用于檢測等等多個霍爾元件?；魻栃娏鱾鞲衅?，其相對便宜，易于使用，已被廣泛使用。 應用(yngyng)霍爾效應來測量電流2.壓力(yl)傳感器： 霍爾傳感器是彈性構件的壓部，和一個霍爾元件磁系統等，如圖（a）該彈性體是一種膜盒，（b）一種彈簧，（c）是波紋管。磁系統最好能夠使用均勻磁場梯度的復合體系來形成，如圖（a）和（b）所示，單個磁體也可以使用，如（c）所示。同的壓力，以使磁體系統和霍爾元件之間的相對位移，一個磁場施加來改變(gibin)霍爾元件，從而改變它的輸出電壓VH。通過在pF（V H）預

20、先校準，得到測得的壓力p的曲線的值?！?】（2）日常生活中的應用(yngyng)日常生活中，有許多設備被應用到的霍爾效應。如果刻錄機的換向機構適用的霍爾效應傳感器檢測到磁帶，并完成換向功能的重點;洗衣機電機必須有正，反轉和高，低速(d s)旋轉，主要依靠霍爾效應傳感器和控制電機的轉速，轉向來實現?；魻栯妱訖C是無刷電動機，使用變速信號限制的霍爾電壓變化的數量，從而調整管驅動電路的電流，即調整電動機定子的繞組的電流的控制，以及電動機轉速達到穩(wěn)定速度控制，克服了一般一個換向器直流電動機可實現高速穩(wěn)定，壽命長，噪音低的缺點(qudin)，大量的應用程序和DVD播放機等家用電器和電表?；魻栃倪\動探測器，還可以做成電子警報器，老人或誰昏迷，可當鬧鐘響起的情況下落難的消防隊員，還可以在車輛用途發(fā)揮防盜裝置。還有在手機中霍爾效應傳感器主要應用在翻蓋或滑蓋的控制電路中，通過翻蓋或滑蓋的動作來控制掛掉電話或接聽電話、鎖定鍵盤及解除鍵盤鎖等【5】在電動霍爾效應電路，以抑制電磁干擾的另一例子是汽車的電源開關。自動化程度高為更多的汽車，微電子電路，電磁干擾的恐懼。并且還有許多電氣元件燈和浪涌電流時，在車內的開關，從而使機械開關觸點產生電弧，更大的電磁干擾信號。使用電源開關電路博物館可以減少這些現象?；魻柶骷ㄟ^檢測磁場的變化被轉換成電信號輸出，可用于監(jiān)測變化的汽車零件和測量