霍尔效应的发展及应用

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2010.04.20XUE BAO

[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

3[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。

(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

霍尔效应是霍尔(Ed wi m Herbert Hall,德国物理学家)于

1879年在他的导师罗兰的指导下发现的这一效应。

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。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.St or mer )和美国物理学家劳克林(ugh 2

lin )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,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,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。

1.霍尔效应基本原理1.1经典霍尔效应

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。如果在一块矩形半导体薄片上沿X 轴方向通以电流I s ,在Z 轴方向上加磁场B,则在垂直于电流和磁场的方向(即Y 轴方向)上产生电势差V H ,这一现象称为霍尔效应。V H 称为霍尔电压。产生

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流子(N 型半导体中的载流子是带负电荷的电子,P 型半导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力作用而产生的

图1 

两种形式的样品

图2 霍尔效应的产生

一块长为a 、宽为b 、厚为d 的N 型硅单晶薄片,置于沿

Z 轴方向的磁场中,沿I S 方向通电流,载流子受的洛仑兹力F m =-ev ×B,形成霍尔电场E H ,电场力F E =eE H 。达到动

态平衡时,F m +F e =0,即-ev ×B +(-eE H )=0,有:

E H =-v B

(a )霍尔电压V H =E H b

(b )

通过样片横截面的电流I S =nebdv (c )

132010年第2期第9卷(总第47期)

安徽电子信息职业技术学院学报

JOURNALOF ANHU IVOCATI O NAL COLLECE OF ELECTRON I C S &I N F ORMATI O N TECHNOLOGY No .22010

General No .47Vol .9

XUE BAO

2010.04.20

 由(a )、(b )、(c )式有:V H =-1ned I S B =R H I S B d ,其中:R H -1

ne

称为霍尔系数,单位(m 3

/C ),它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数,只要测出V H 以及知道I S 、B 和d,就可按公式:R H =

V H d

I S B

计算。对于P 型半导体,除霍尔电压符号不同外,其它情况相同。由R H 的符号(或霍尔电压的正负)可判断样品的导电类型。

1.2经典霍尔效应中的误差

(1)霍尔电压测量点A 和A ’

的位置难能做到在一个等

势面上,从而产生附加电压V 0=Isr,r 为A 、A ’所在的两个等势面间的电阻。

图3 等势面的影响

(2)由于霍尔效应本身所产生的电场与磁场,而由电磁

效应所产生的热电效应和热磁效应等。

消除办法:改变I S 和B 的方向,取相应V H 的平均值。分别测量由下列四组不同方向的I S 和B 组合的V AA ’(A 、A ’两点的电位差

)即

+B,+I S V AA ’=V 1-B,+I S V AA ’=-V 2-B,-I S V AA

’=V 3+B,+I S V AA ’=-V 4

然后,求V 1、V 2、V 3和V 4的代数平均值:

V H =

V 1-V 2+V 3-V 44

1.3量子霍尔效应

按经典霍尔效应理论,霍尔电阻R H (R H =U /I =K ・B /d

=B /nqd )应随B 连续变化,而且并随着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R H 随磁场的变化出现了一系列量子化平台,即R H =h /Ne 3(e 3表示e 的平方,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

(I Q HE )。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R H =h /ve 3(v =1/3,2/3,4/3,5/3,1/5),故称为分数量子霍尔效应(F QHE )。

2.霍尔效应的应用2.1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U =B I

1

anq

,U 可用毫伏计测量,1

anq

、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5-10m t/100m t .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±0.5%时,则可选用硅和锗霍尔元件。

图4 霍尔效应测磁感应强度系统电路图

2.2磁流体发电机

如图5所示。平行板间距为d,金属板长为a,宽为b,其间匀强磁场的磁感应强度为B 。通过板间的等离子体流速为v 。电阻率为ρ。从一侧沿垂直磁场且与极板平行的方向射入板间。

图5 磁流体发电机示意图

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