《霍尔效应及应用》word版

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1、霍尔效应及应用光信息科学与技术08-110084566姚舜禹摘要：霍尔效应是一种发现、研究和应用都很早的磁电效应。霍尔效应的研究在当今已取得了许多突破性的进展，在科学技术的许多领域都有着广泛的应用。关键词：霍尔效应；霍尔传感器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

2、(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、经典霍尔效应1897年，霍尔（E.H.Hall）正在马里兰的JohnsHopkins大学读研究生。当时还没有发现电子，也没有人知道金属导电的机理。他注意到著名的英国物理学家麦克斯韦和瑞典物理学家埃德隆关于一个问题的分歧

3、，于是在导师罗兰(H.A.Rowland)教授的支持下，做实验来验证磁场到底对导线中的电流有没有影响，却发现了一种特殊的现象：将载流导体板放在磁场中，使磁场方向垂直于电流方向，在导体板两侧ab之间就会出现横向电势差U。这种现象是霍尔首先发现的，因此，称之为霍尔效应，导体板两侧形成的电势差U称为霍尔电压。霍尔的发现在当时震动了科学界，许多科学家纷纷转向这一研究领域。霍尔效应可以从运动电荷受到的洛伦兹力得到解释。实验表明，霍尔电压U与电流I、磁感应强度B都成正比，与板的厚度d成反比。其公式为：U=KIB/d　　　（1）（1）式中，K=1/nq

4、为比例常数，称为霍尔系数，它由导体（或半导体）材料的性质所决定。2、量子霍尔效应按经典霍尔效应理论，霍尔电阻（=U/I=KB/d=B/nqd）应随B连续变化并随着n（载流子浓度）的增大而减小，但是，1980年，克利青在1.5K极低温度和18.9T强磁场下，测量金属——氧化物——半导体场效应晶体管时，发现其霍尔电阻随磁场的变化出现了一系列量子化平台，即(h为普朗克常数，e为电子电量，N=1,2…整数)，这种现象称为整数量子霍尔效应(IQHE)。1982年，崔琦和施特默等人在比整数量子霍尔效应更低的温度0.1K和更强的磁场20T条件下，对具有

5、高迁移率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是分数值，即故称为分数量子霍尔效应(FQHE)。一年后，劳克林用一个波函数对分数量子霍尔效应给出了很好的解释。3、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

6、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。3.1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，

7、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、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。3.2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，

8、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