霍尔效应及其应用1

1、 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 (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。一一经典霍尔

2、效应经典霍尔效应霍尔效应基本原理霍尔效应基本原理如图所示，将一导线放在垂直于它的磁场中。当有电流通过它时，在导电板的A，A两侧会产生一个U，这种现象叫做“霍尔效应”。实验表明，在磁场不太强时，电势差U与电流I和磁感应强度B成正比，与板的厚度D成反比。即U=KIB/d，式中比例系数K叫做霍尔系数。霍尔效应可用来说明。因为磁场是导体内移动的电荷（载流子）发生偏转，结果在A，A两侧分别聚集正负电荷，形成电势差。设导体板内载流子的平均定向速率为u,它在磁场中受到的洛伦兹力为quB 。当A，A两侧之间形成电势差后，载流子还受到一个相反的力qE=qU/b ，最后达到恒定状态时，两个力平衡quB=qU/b，

3、此外，设载流子的浓度为n,则电流I与u的关系为I=bdnq，或u=I/bdnq，于是U=IB/nqd，此式与前面相比，即得霍尔系数K=1/nq。按经典霍尔效应理论，霍尔电阻按经典霍尔效应理论，霍尔电阻RHRH（RHRH=U/I=KB/d= B/nqd=U/I=KB/d= B/nqd）应随应随B B 连续变化并随着连续变化并随着n n（载流子浓度）的增大而减小，但是，（载流子浓度）的增大而减小，但是，1980 1980 年，克利青在年，克利青在1.5K 1.5K 极低温度和极低温度和18.9T 18.9T 强磁场下，测量强磁场下，测量金属金属氧化物氧化物半导体场效应晶体管时，发现其霍尔电半导体场

4、效应晶体管时，发现其霍尔电阻阻RHRH随磁场的变化出现了一系列量子化平台，即随磁场的变化出现了一系列量子化平台，即RH RH =h/Ne=h/Ne* *(e(e* *表示表示e e的平方，的平方，h h 为普朗克常数，为普朗克常数，e e为电子电量，为电子电量，N=N=1,21,2 整数整数) )，这种现象称为整数量子霍尔效应，这种现象称为整数量子霍尔效应(IQHE)(IQHE)。1982 1982 年，崔琦和施特默等人在比整数量子霍尔效应更低的温年，崔琦和施特默等人在比整数量子霍尔效应更低的温度度0.1K 0.1K 和更强的磁场和更强的磁场20T 20T 条件下，对具有高迁移率的更纯净条件下

5、，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，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，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，即即RH =h/veRH =h/ve* *(v=1/3,2/3,4/3,5/3,1/5),(v=1/3,2/3,4/3,5/3,1/5),故称为分数量子霍尔故称为分数量子霍尔效应效应(FQHE)(FQHE)。一年后，劳克林用一个波函数对分数量子霍尔。一年后，劳

6、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效应给出了很好的解释一般而言，金属和电解质的霍尔系数很小，霍尔效应不显一般而言，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。从著；半导体的霍尔系数则大得多，霍尔效应显著。从20世世纪纪60 年代起，随着半导体材料和半导体工艺的飞速展，年代起，随着半导体材料和半导体工艺的飞速展，人们发现用半导体材料制成的霍尔元件人们发现用半导体材料制成的霍尔元件具有对磁场敏感、结构简单而牢靠、成具有对磁场敏感、结构简单而牢靠、成本低廉、体积小、频率响应宽、输出电本低廉、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，

7、因此，压变化大和使用寿命长等优点，因此，将其广泛应用于电磁测量、非电量测量、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。主要表自动控制、计算与通讯装置中。主要表现在以下几个方面现在以下几个方面:(1)测量磁场测量磁场;(2)测量测量半导体特性半导体特性;(3)磁流体发电磁流体发电;(4)电磁无损探伤电磁无损探伤;(5)霍尔传霍尔传感器感器; 便携式霍尔效应测量仪 利用霍尔效应可以制造精确测量利用霍尔效应可以制造精确测量磁感应强度的仪器磁感应强度的仪器高斯计。高斯计。高斯计的探头是一个霍尔元件，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。在它的里面是一个半导体薄片

8、。依据（依据（1）式，）式，U可用毫伏计测可用毫伏计测量，量，K、I 也可用相应的仪器测也可用相应的仪器测量，因此，就可以方便地算出量，因此，就可以方便地算出B值。高斯计的表盘是以磁感应值。高斯计的表盘是以磁感应强度标记的，只要把高斯计插入强度标记的，只要把高斯计插入待测磁场中，待测磁场中，B便可以直接读出便可以直接读出.非常方便。如果要求被测磁场精非常方便。如果要求被测磁场精度较高，如优于度较高，如优于 0.5%，那么，那么，通常选用砷化镓霍尔元件，其灵通常选用砷化镓霍尔元件，其灵敏度高，约为敏度高，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较低，体积要温

9、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，如精度低于求不高，如精度低于 0.5%时，则可选用硅和锗霍尔元件。时，则可选用硅和锗霍尔元件。霍尔效应对于诸多半导体材料和高温超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。设导体导体的性质测量来说意义重大。设导体中电流方向如图中电流方向如图1所示，如果载流子带所示，如果载流子带负电，它的运动方向和电流方向相反，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，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果载流

10、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。用这种方法就能够确定载流子的符号。用这种方法就能够测定半导体究竟是测定半导体究竟是P 型还是型还是N 型。如果载流子已知，则通过测定霍型。如果载流子已知，则通过测定霍尔系数尔系数K，还可算出导体中载流子的浓度，还可算出导体中载流子的浓度n，进而得出载流子浓度，进而得出载流子浓度受其客观因素影响的情况。如由受其客观因素影响的情况。如由Lake Shore公司推出的公司推出的Lake Shore7500系统，配备专门为

11、系统，配备专门为7500 设计的设计的IDEAS 软件，操作简单、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、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。载波密度和电子特性，能够满足人们多方面的测量需要。从从20世纪世纪50年代末开始进行研究的磁流体发电技术，年代末开始进行研究的磁流体发电技术，可能是今后取代火力发电的一个方向。其基本原理可能是今后取代火力发电的一个方向。其基本原理就是利用等离子体的霍尔效应，即在横向磁场作用就是利用等离子体的霍尔效应，即在横向磁场作用下使通过磁场的等离子体正、负带电粒

12、子分离后积下使通过磁场的等离子体正、负带电粒子分离后积聚于两个极板形成电源电动势。这种新型的高效发聚于两个极板形成电源电动势。这种新型的高效发电方式，通过燃料燃烧发出的热能使气体变成等离电方式，通过燃料燃烧发出的热能使气体变成等离子体流而转换成电能，无须像火力发电一样，先将子体流而转换成电能，无须像火力发电一样，先将燃料燃烧释放的热能转换成机械能以推动发电机轮燃料燃烧释放的热能转换成机械能以推动发电机轮转动，再把机械能转换成电能，这样在提高了热能转动，再把机械能转换成电能，这样在提高了热能利用效率的同时，也满足了环保的要求。目前，这利用效率的同时，也满足了环保的要求。目前，这方面已经有示范工程

13、，预计在方面已经有示范工程，预计在2010内可局部商业化，内可局部商业化，发展前景广阔。发展前景广阔。霍尔效应无损探伤方法安全、可靠、实用，并能实霍尔效应无损探伤方法安全、可靠、实用，并能实现无速度影响检测，因此，被应用在设备故障诊断、材现无速度影响检测，因此，被应用在设备故障诊断、材料缺陷检测之中。其探伤原理是建立在铁磁性材料的高料缺陷检测之中。其探伤原理是建立在铁磁性材料的高磁导率特性之上。采用霍尔元件检测该泄漏磁场磁导率特性之上。采用霍尔元件检测该泄漏磁场B的信的信号变化，可以有效地检测出缺陷存在。钢丝绳作为起号变化，可以有效地检测出缺陷存在。钢丝绳作为起重、运输、提升及承载设备中的重要

14、构件，被应用于矿重、运输、提升及承载设备中的重要构件，被应用于矿山、运输、建筑、旅游等行业，但由于使用环境恶劣，山、运输、建筑、旅游等行业，但由于使用环境恶劣，在它表面会产生断丝、磨损等各种缺陷，所以，及时对在它表面会产生断丝、磨损等各种缺陷，所以，及时对钢丝绳探伤检测显得尤为重要。目前，国内外公认的最钢丝绳探伤检测显得尤为重要。目前，国内外公认的最可靠、最实用的方法就是漏磁检测方法，根据这一检测可靠、最实用的方法就是漏磁检测方法，根据这一检测方法设计的断丝探伤检测装置，如方法设计的断丝探伤检测装置，如EMTC 系列钢丝绳无系列钢丝绳无损检测仪，其金属截面积测量精度为损检测仪，其金属截面积测量

15、精度为 0.2，一个捻，一个捻距内断丝有一根误判时准确率距内断丝有一根误判时准确率90，性能良好，在生，性能良好，在生产中有着广泛的用途。产中有着广泛的用途。以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。利霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。利用霍尔电压与外加磁场成正比的线形关系可用霍尔电压与外加磁场成正比的线形关系可做成多种电学和非电学测量的线性传感器。做成多种电学和非电学测量的线性传感器。如控制一定电流时，可以测量交、直流磁感如控制一定电流时，可以测量交、直流磁感应强度和磁场强度；控制电流电压的比例关应强度和磁场强度；控制电流电压的比例关系，令输出的霍尔电压与电压乘电流成比例系，令输出的霍尔电压与电压乘电流成