霍爾效應論文

1、2011大學生物理實驗研究論文 霍爾效應實驗應用與拓展作者：（東南大學，交通學院 南京 ） 摘 要： 1了解霍爾效應實驗原理以及有關霍爾元件對材料要求的知識。2學習用“對稱測量法”消除副效應的影響，測量并繪制試樣的VHIS和VHIM曲線。3確定試樣的導電類型、載流子濃度以及遷移率。4. 霍爾元件的應用與當前發(fā)展狀況。關鍵詞： 霍爾效應 測量方法 應用 發(fā)展 前景Hall effect experimental application and the development (Department of transportation Southeast University, Nanjing 2

2、10096)Abstract: 1. To understand hall effect experiment principle and relevant hall element on the material requirements of knowledge. 2. Learn to use symmetrical measurement method to eliminate the effect of vice, measuring and map sample of VH - Po and VH - IM curve. 3. Determine the sample of con

3、ductive type, carriers concentration and mobility. 4. Hall element the application and current development situation.key words: hall effect measuring method applied prospects for development 一 概述：隨著半導體物理學的迅速發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導率的測量已成為研究半導體材料的主要方法之一。通過實驗測量半導體材料的霍爾系數(shù)和電導率可以判斷材料的導電類型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。若能測量霍爾系數(shù)和電導

4、率隨溫度變化的關系，還可以求出半導體材料的雜質(zhì)電離能和材料的禁帶寬度。如今，霍爾效應不但是測定半導體材料電學參數(shù)的主要手段，而且隨著電子技術的發(fā)展，利用該效應制成的霍爾器件，由于結構簡單、頻率響應寬（高達10GHz）、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛用于非電量測量、自動控制和信息處理等方面。在工業(yè)生產(chǎn)要求自動檢測和控制的今天，作為敏感元件之一的霍爾器件，將有更廣闊的應用前景。了解這一富有實用性的實驗，對日后的工作將有益處。一霍爾效應原理1879年霍爾在實驗中發(fā)現(xiàn)：在均勻強磁場B中放入一塊板狀金屬導體，并與磁場B方向垂直如圖1，在金屬板中沿與磁場B垂直的方向通以電流I的時候，在金屬板上下表面之間會

5、出現(xiàn)橫向電勢差UH 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應，電勢差UH 稱為霍爾電勢差。進一步的觀察實驗還指出，霍爾電勢差UH 大小與磁感應強度B和電流強度I的大小都成正比，而與金屬板的厚度d成反比。即UH =RHIB/d (V)； 式中RH（m3C-1）僅與導體材料有關，稱為霍爾系數(shù)。當時雖然發(fā)現(xiàn)了霍爾效應現(xiàn)象，但在發(fā)現(xiàn)電子以前，人們不知道導體中的載流子是什么，不能從電子運動的角度加以解釋霍爾效應的物理現(xiàn)象，現(xiàn)在我們按電子學理論對霍爾效應做了如下的解釋：金屬中的電流就是自由電子的定向流動，運動中的電子在磁場中要受到洛侖茲力的作用。設電子以定向速度 運動，在磁場B中，電子就要受到力f=e 的作用，沿著f所指的方

6、向漂移，從而使導體上表面積累過多的電子，下表面出現(xiàn)電子不足，從而在導體內(nèi)產(chǎn)生方向向上的電場。當這電場對電子的作用力eEH 正好與磁場作用力f相平衡時，達到穩(wěn)定狀態(tài)?；魻栃话l(fā)現(xiàn)后，人們做了大量的工作，逐漸利用這種物理現(xiàn)象制成霍爾元件。霍爾元件一般采用N型鍺（Ge）,銻化銦（InSb）和砷化銦（InA）等半導體材料制成。銻化銦元件的霍爾輸出電勢較大，但受溫度的影響也大；鍺元件的輸出電勢小，受溫度影響小，線性度較好。因此，采用砷化銦材料做霍爾元件受到普遍的重視?；魻柶骷且环N磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件和霍爾

7、開關器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量?；魻柶骷曰魻栃獮槠涔ぷ骰A。 霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達m級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達55150。 按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它

8、，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制。二霍爾元件的應用與當前發(fā)展狀況自從霍爾效應被發(fā)現(xiàn)100多年以來,它的應用經(jīng)歷了三個階段: 第一階段是從霍爾效應的發(fā)現(xiàn)到20世紀40年代前期。最初,由于金屬材料中的電子濃度很大,而霍爾效應十分微弱,所以沒有引起人們的重視。這段時期也有人利用霍爾效應制成磁場傳感器,但實用價值不大,到了1910年有人用金屬鉍制成霍爾元件,作為磁場傳感器。但是,由于當時未找到更合適的材料,研究處于停頓狀態(tài)。 第二階段是從20世紀40年代中期半導體技術出現(xiàn)之后,

9、隨著半導體材料、制造工藝和技術的應用,出現(xiàn)了各種半導體霍爾元件,特別是鍺的采用推動了霍爾元件的發(fā)展,相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場傳感器。 第三階段是自20世紀60年代開始,隨著集成電路技術的發(fā)展,出現(xiàn)了將霍爾半導體元件和相關的信號調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進入20世紀80年代,隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機械加工技術的進展,霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展,出現(xiàn)了三端口或四端口固態(tài)霍爾傳感器,實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化?；魻柤呻娐烦霈F(xiàn)以后，很快便得到了廣泛應用。 三霍爾元件應用大致可分為以下幾個方向。1. 測量載流子濃度： 根據(jù)霍爾電壓產(chǎn)生的公式，以及在外

10、加磁場中測量的霍爾電壓可以判斷傳導載流子的極性與濃度，這種方式被廣泛的利用于半導體中摻雜載體的性質(zhì)與濃度的測量上。 2. 測量磁場強度： 只要測出霍爾電壓VBB，即可算出磁場B的大??；并且若知載流子類型(n型半導體多數(shù)載流子為電子，P型半導體多數(shù)載流子為空穴),則由VBB的正負可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。 3. 測量電流強度： 將圖4中霍爾器件的輸出（必要時可進行放大）送到經(jīng)校準的顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。這種方式的優(yōu)點是結構簡單，測量結果的精度和線性度都較高?？蓽y直流、交流和各種波形的電流。但它的測量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種

11、應用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應強度。電流增大后，磁芯可能達到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產(chǎn)生影響。當然，也可采取一些改進措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應強度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進行檢測等等。這類霍爾電流傳感器的價格也相對便宜，使用非常方便，已得到極為廣泛的應用，國內(nèi)外已有許多廠家生產(chǎn)。 4. 測量微小位移： 若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖6示出3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳

12、感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結構（b）在Z2mm時，VH與Z有良好的線性關系，且分辨力可達1m，結構（C）的靈敏度高，但工作距離較小。用霍爾元件測量位移的優(yōu)點很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。 以微位移檢測為基礎，可以構成壓力、應力、應變、機械振動、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。 5. 壓力傳感器： 霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖6所示。在圖6中，（a）的彈性元件為膜盒，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構成均勻梯度磁場的復合系統(tǒng)，如圖6中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如（c）。加上壓力后

13、，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準的pf(VH)曲線即可得到被測壓力p的值6. 霍爾加速度傳感器： 圖7示出霍爾加速度傳感器的結構原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的O點上固定均質(zhì)彈簧片S,片S的中部U處裝一慣性塊M，片S的末端b處固定測量位移的霍爾元件H，H的上下方裝上一對永磁體，它們同極性相對安裝。盒體固定在被測對象上，當它們與被測對象一起作垂直向上的加速運動時，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件H產(chǎn)生一個相對盒體的位移，產(chǎn)生霍爾電壓VH的變化?？蓮腣H與加速度的關系曲線上求得加速度。 人們在利用霍爾效應開發(fā)的各種傳感器，磁羅盤、磁頭

14、、電流傳感器、非接觸開關、接近開關、位置、角度、速度、加速度傳感器、壓力變送器、無刷直流電機以及各種函數(shù)發(fā)生器、運算器等,已廣泛應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術和信息處理各個方面。僅在汽車的電子系統(tǒng)中，使用霍爾IC的就有十幾處。如點火控制、發(fā)動機速度檢測、燃料噴射控制、底盤控制、門鎖控制以及方位導航控制等。除了己非常成熟的雙極型霍爾IC外，應用CMOS和Si CMOS技術的霍爾產(chǎn)品業(yè)已廣泛使用，MOS霍爾IC的功耗更低，功能更強?；魻朓C的種類較多，大致可分為霍爾線性IC和霍爾開關IC。前者的輸出與磁場成正比，用于各種參量的測量：后者的輸出為高、低電平兩利，狀態(tài)，常用于無刷電機和汽車點火裝置中。

15、此外，大功率的霍爾IC的應用也非常廣泛，它將功率驅(qū)動級和各種保護電路集成到霍爾IC中，使得器件具有很強的驅(qū)動能力，它們可直接驅(qū)動無刷電動機，也常用在汽車中作開關器件。在實際使用中，經(jīng)常將霍爾集成電路(有時也用霍爾元件)與永磁體、軟磁材料等封裝在一起，組成適用于特定應用場合的霍爾傳感器組件。 在國內(nèi)，除南京中旭微電子公司可大量生產(chǎn)霍爾集成電路、營口華光傳感元件廠可批量生產(chǎn)薄膜磁阻器件、西南應用磁學研究所可批量生產(chǎn)威根德器件外，其余各類也有研制和小批量生產(chǎn)。據(jù)預測：1995年，國內(nèi)有41家企業(yè)生產(chǎn)磁傳感器，總產(chǎn)量為2780萬只.其中，霍爾器件1730萬只，結型磁敏元件90萬只，磁電阻元件850萬只

16、，威根德元件110萬只.雖然其余各種磁傳感器都有廠、所、校在進行研制，品種基本齊全，但仍末形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)。 在國外，由于磁傳感器已逐漸被廣泛而大量地使用，有許多企業(yè)競相研制和生產(chǎn)，形成一定規(guī)模的磁傳感器產(chǎn)業(yè)?；魻柶骷前雽w磁傳感器中最成熟和產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。旭化成(InSb霍爾元件)、Honeywell、A11egro(原稱Sprague)、ITT、Siemens(霍爾電路)等均已大量生產(chǎn)。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生產(chǎn)了金屬膜磁敏電阻器及集成電路。TDK、Sony、Matsusbita、Toshiba等巳批量生產(chǎn)非晶磁頭等非晶金屬磁傳感器。還有LEM、Hon

17、eywell、F.WBell、NaNa等公司生產(chǎn)廠各種用途和量程的電流、電壓傳感器和其它類型的磁傳感器組件，這些磁傳感器都巳得到廣泛的應用。 四在霍爾效應研究領域與應用領域的展望 1研究領域的展望 自從1879年24歲的研究生霍爾（Edwin H. Hall）在發(fā)現(xiàn)霍爾效，隨著半導體物理學的迅猛發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導率的測量已經(jīng)稱為研究半導體材料的主要方法之一。通過實驗測量半導體材料的霍爾系數(shù)和電導率可以判斷材料的導電類型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。若能測得霍爾系數(shù)和電導率隨溫度變化的關系，還可以求出半導體材料的雜質(zhì)電離能等參數(shù)。在霍爾效應發(fā)現(xiàn)約100年后，德國物理學家克利青(Klau

18、s von Klitzing)等研究半導體在極低溫度和強磁場中發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應，它不僅可作為一種新型電阻標準，還可以改進一些基本產(chǎn)量的精確測定，是當代凝聚態(tài)物理學和磁學令人驚異的進展之一，克利青為此發(fā)現(xiàn)獲得1985年諾貝爾物理學獎。其后美籍華裔物理學家崔琦(D. C. Tsui)和施特默在更強磁場下研究量子霍爾效應時發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應。它的發(fā)現(xiàn)使人們對宏觀量子現(xiàn)象的認識更深入一步，他們?yōu)榇税l(fā)現(xiàn)獲得了1998年諾貝爾物理學獎。日本的物理學家日前發(fā)現(xiàn)。理論上來說,光學也有等同于霍爾效應的現(xiàn)象發(fā)生。而且此理論應該可以利用偏振光加以實驗證明。 2在應用領域方面的展望。 21新的霍爾元件結構。常規(guī)

19、霍爾元件要求磁場垂直于霍爾元件，且在整個霍爾元件上是均勻磁場。而在其他情況，需要根據(jù)磁場分布情況，設計各種各樣相應的非平面霍爾結構。其中，垂直式霍爾器件是一種最近新發(fā)展出來的。這種垂直式霍爾片具有低噪聲、低失調(diào)和高穩(wěn)定性的特點。目前根據(jù)這種原理國際上開展了許多研究項目。 22微型化。瑞士聯(lián)邦技術研究所最新研制的超小型三維霍爾傳感器工作面不到300300um，只有六個管腳。這種器件特別適合用于空間窄小的檢測環(huán)境，例如電動機中的間隙、磁力軸承以及其他象永磁體掃描等需接近測量表面的場合。 23高靈敏度。有資料顯示，有一種高靈敏度霍爾傳感器，它基于霍爾傳感器原理，并且集成了磁通集中器。產(chǎn)品的主要創(chuàng)新就在于利用了成熟的微電子集成工藝，制造低成本的磁通集中器。其磁通集中器直接集成在已帶有成千霍爾敏感單元的硅片上，再將硅片切割成單個的霍爾探針，最后封裝成標準的集成電路芯片。這種集成化的磁通集中