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1、2010年第2期安徽电子信息职业技术学院学报No.22010第9卷(总第47期)JOURNALOFANHUIVOCATIONALCOLLECEOFELECTRONICS&INFORMATIONTECHNOLOGYGeneralNo.47Vo.l9[文章编号]1671-802X(2010)02-0031-04霍尔效应的发展及应用张勇,孟建新,杨红英,张银铃(解放军坦克学院基础部实验中心,安徽蚌埠233050)[摘要]霍尔效应是一种发现、研究和应用都很早的磁电效应。随着半导体物理学的迅速发展,霍尔效应中的霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体
2、材料的主要方法之一。利用该效应制成的霍尔器件,由于结构简单、寿命长、可靠性高等优点,已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。本文就此对霍尔效应发展以及应用做简单的论述。[关键词]霍尔效应;霍尔传感器[中图分类号]O441[文献标识码]B引言霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载霍尔效应是霍尔(EdwimHerbertHal,l德国物理学家)于流子(N型半导体中的载流子是带负电荷的电子,P型半导1879年在他的导师罗兰的指导下发现的这一效应。体中的载流子是带正电荷的空穴)在磁场中所受到的洛仑兹近年来,由于新型半导体材料
3、和低维物理学的发展使得力作用而产生的。人们对霍尔效应的研究取得了许多突破性进展。冯克利青发现了量子霍尔效应,为此,冯克利青获得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图1两种形式的样品奖而引起了人们广泛的兴趣,而崔琦也成为第六位获得诺贝尔奖的华裔科学家。如今,霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段,而且随着电子技术的发展
4、,利用该效应制成的霍尔器件,由于结构简单、频率响应宽(高达10GHz)、寿命长、可靠性高等优点,已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。图2霍尔效应的产生1.霍尔效应基本原理一块长为a、宽为b、厚为d的N型硅单晶薄片,置于沿1.1经典霍尔效应Z轴方向的磁场中,沿IS方向通电流,载流子受的洛仑兹力所谓霍尔效应,是指磁场作用于载流金属导体、半导体Fm=-evB,形成霍尔电场EH,电场力FE=eEH。达到动中的载流子时,产生横向电位差的物理现象。如果在一块矩态平衡时,Fm+Fe=0,即-evB+(-eEH)=0,有:形半导体薄片上沿
5、X轴方向通以电流Is,在Z轴方向上加磁EH=-vB(a)场B,则在垂直于电流和磁场的方向(即Y轴方向)上产生电霍尔电压VH=EHb(b)势差VH,这一现象称为霍尔效应。VH称为霍尔电压。产生通过样片横截面的电流I=nebdv(c)S*[收稿日期]2010-01-20[作者简介]张勇(1977-)男,教员,计算机技术工程硕士,主研究方向:物理仿真实验、计算机应用、电子应用。312010.04.20XUEBAO技术园地张勇,孟建新,杨红英,张银铃霍尔效应的发展及应用第2期由(a)、(b)、(c)式有:1982年,崔琦和施特默等人在比
6、整数量子霍尔效应更1ISB1低的温度0.1K和更强的磁场20T条件下,对具有高迁移率VH=-ISB=RH,其中:RH-称为霍尔系数,单neddne的更纯净的二维电子气系统样品的测量中,也在一些电阻和3位(m/C),它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数,只要测温度范围内观测到横向霍尔电阻呈现平台的现象,但极为不出V以及知道I、B和d,就可按公式:R=VHd计算。同的是,这些平台对应的不是原来量子霍尔效应的整数值而HSHISB是分数值,即RH=h/ve*(v=1/3,2/3,4/3,5/3,1/5),故称对于P型半导体,除霍尔电压符号不同外,其它
7、情况相为分数量子霍尔效应(FQHE)。同。由RH的符号(或霍尔电压的正负)可判断样品的导电2.霍尔效应的应用类型。2.1测量磁场1.2经典霍尔效应中的误差利用霍尔效应可以制造精确测量磁感应强度的仪(1)霍尔电压测量点A和A的位置难能做到在一个等器高斯计。高斯计的探头是一个霍尔元件,在它的里面势面上,从而产生附加电压V0=Isr,r为A、A所在的两个等1是一个半导体薄片。依据U=BI,U可用毫伏计测量,势面间的电阻。anq1、I也可用相应的仪器测量,因此,就可以方便地算出Banq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
8、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,通常选用砷化镓霍图3等势面的影响尔元件,其灵敏度高,约为5-10mt/100mt.mA
