霍尔效应的应用及其展望

。
本 文 阐述 了霍
霍尔效应（ ａ ｆ ｃ 作为—种磁电效应， Ｈ ｌ ｅｅｔ ｌ ） 它是 １７ 年由美国物理 随着半导体物理学的迅猛发展 ，霍尔系数和电导率的测量已经称为研 ８９ 学家霍尔（ ． Ｈ Ｄ ＥＩ ￣ 发现并以此命名的。因为半导体材料对霍尔效应比 究半导体材料的主要方法之一。通过实验测量半导体材料的霍尔系数 ｔ 较明显 ， 因此现在有各种各样的用半导体材料制成的霍尔元器件 ， 使得 和电导率可以判断材料 的导 电类型 、 载流子浓度 、 载流子迁移率等主要 霍尔效应的应用非常广泛。在近代， 由于新型半导体材料和低维物理学 参数。 若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系， 还可以求出半导 的发展 、 的极端物理条件（ 新 如超低温度和超强磁场等的应用）使得凝 体材料的杂质电离能等参数 。 ， 在霍尔效应发现约 １０年后 ， 国物理学 ０ 德 聚态体系（ 特别是低维凝聚态体系 ） 中的磁现象研究取得了许多突破性 家克利青 Ｋａ ｓｖｎ Ｋｉｉｇ等研究半导体在极低温度和强磁场中发 ｌ ｏ ｌｚ ） ｕ ｔｎ 的进展． 德国物理学家冯・ 克利青 （ ｏ ｌｚ ｇ因发现量子霍尔效应而 现了量子霍尔效应， Ｖ ｎ Ｋｉｉ ） ｔｎ 它不仅可作为一种新型 电阻标准 ， 还可以改进一些 荣获 １８ 年度诺贝尔物理学奖 ； ９５ 美籍华裔物理学家崔琦（ ａｉ ｓｉ、 基本产量的精确测定 ，是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之 Ｄ ｎｅ Ｔ ｕ） ｌ 美籍德裔物理学家施特默 （ ．ｓ ｒ ｒ ＨＬ ｔ ｍｅ）和美 国物理学家 劳克林 （ ．ｏ Ｒ 克利青为此发现获得 １８ ９ ５年诺贝尔物理学奖。其后美籍华裔物理 Ｌ ｕｈｉ） ａｇ ｌ ，因发现分数量子霍尔效应和对其进行的研究 ，而荣获 １９ 学家崔琦（ ． ． ｓｉ ｎ ９８ Ｄ Ｃ Ｔ ｕ） 和施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现 年 度诺见尔物理学奖。本文作者从经典的霍尔效应开始 ， 系统地介绍霍 了分数量子霍尔效应。它的发现使 ＾ 们对宏观量子现象的认识更深入 尔效应的原理、 发展历程 及在实际中的应用， 并展望其未来的发展。 步， 他们为此发现获得了 １９ ９ ８年诺贝尔物理学奖 。日本的物理学家 １霍 尔效 应原理 ｙ 日前发现。理论 Ｅ 来说， 光学也有等同于霍尔效应的现象发生。而且此 霍尔效应是 １７ ８ ９年美国物理学 理论应该可以利用偏振光加以实验证明。 家霍尔读研究生期间在做研究载流子 ４ 霍尔 效应应 用领 域的展 望 导体在磁 场 中受力作 用实验 时发现 ４１高灵敏度。 ． 有资料显示 ， 有一种高灵敏度霍尔传感器 ， 它基于霍 的。霍尔效应是载流试样在与之垂直 尔传感器原理， 目集成了磁通集中器。 并 产品的主要创新就在于利用了 的磁场中由于载流子受洛仑兹力作用 成熟的微电子集成工艺 ， 制造低成本的磁通集中器。 其磁通集中器直接 发生偏转而在垂直于电流和磁场方 向 集成在已带有成千霍尔敏感单元的硅片上 ，再将硅片切割或单个的霍 图 １霍尔效应原理 的试样的两个端面上 出现等量异号电 尔探 针 ， 后封 装成 标准 的集成 电路芯 片 。 最 这种 集成 化的磁 通集 中器 的
科 技 论 坛
・ ３・ ５
霍 尔效 应 的应用及其展 望
祝 强 刘 艳 凤
（ 牡丹江师范学院理 学院 ， 黑龙江 牡丹 江 １７ １ ） ５０ ２ 摘 要 ： 尔效应是 １７ 霍 ８ ９年美国物理 学家霍 尔读研 究生期 间在做研 究载流子导体在磁 场 中受力作用 实验时发现的 尔效应 的原理及 其在 霍 尔效应研 究领域与应 用领域的展望。 关键词 ： 尔效应 ； 用； 望 霍 应 展
一
，
一
荷而产生横向电势差 Ｕ Ｈ的现象。电势差 Ｕ Ｈ称为霍尔电压 ，Ｈ称为 单元成本只占传感器成本的六分之一 ，传感器的检测灵敏度却可提高 Ｅ 霍尔电场强度（ 如图 １。 ）此时的载流子既受到洛伦兹力作用又受到与洛 五倍 以上 。 伦兹力方向相反的霍尔电场力作用 ，当载流子受的洛伦兹力与霍尔电 ４ ． ２微型化。 瑞士联邦技术研究所最新研制的超小型三维霍尔传感 场力相等时， 霍尔电压保持相对稳定。 器工作面不到 ３ ０Ｘ ０ ｕ ， ０ ０ ｒ 只有六个管脚。这种器件特别适合用于空 ３ ｎ 在电子发现之前， 人们不能认识到霍尔效应现象产生的本质 ， 直到 间窄小的检测环境 ， 例如电动机中的间隙、 磁力轴承以及其他象永磁体 １ 世纪末 电子的发现以及对 电子研究的不断深入 ， ９ 使霍尔效应的理论 扫描等需接近测量表面的场合。 研究不断取得突破 陛的成果。由于霍尔效应的大小直接与样品中的载 ４ － ３新的霍尔元件结构。常规霍尔元件要求磁场垂直于霍尔元件 ， 流子浓度相关 ， 故在凝聚态物理领域获得 了广泛地应用 ， 成为金属和半 且在整个霍尔元件上是均匀磁场。 而在其他隋况 ， 需要根据磁场分布情 导体物理中—个重要的研究手段 。 况， 设计各种各样相应 的非平面霍尔结构。其中， 垂直式霍尔器件是一 ２ 霍尔 元件 的应 用与 发展 状况 种最近新发展 出来的。 这种垂直式霍尔片具有低噪声、 低失调和高稳定 霍尔效应被发现后， 人们做了大量的工作 ， 逐渐利用这种物理现象 性 的特 ｜ 目前根 据这种 原理 国际上开展 了许 多研究 项 目。 。 制成霍尔元件。 霍尔元件一般采用 Ｎ型锗（ ｅ ， Ｇ） 锑化铟（ｎ ｂ和砷化铟 ＩＳ ） ４ 高集成度 。国外霍尔传感器 的发展方向就是采用 Ｃ Ｓ ４ ＭＯ 技术 （ｎ 等半导体材料制成 。锑化铟元件的霍尔输出电势较大， ＩＡ） 但受温度 的高度集成化 ， 同样功能可以集成在非常小的芯片内， 如信号预处理的 的影响也大 ； 锗元件的输 出电势小 ， 受温度影响小 ， 线性度较好 。因此 ， 最主要部分已在霍尔器件上完成 ， 其中包括前置放大 、 失调补偿 、 温度 采用砷化铟材料做霍尔元件受到普遍的重视。霍尔器件是一种磁传感 补偿 、 电压恒定 ， 并且可 以在芯片上集成许多附加功能 ， 如数据存储单 器。用它 们可以检测磁场及其变化 ，可在各种与磁场有关的场合中使 元、 定时器 ＡＤ转换器、 ／ 总线接 口等， 所有这些都采用 Ｃ Ｓ标准 ， ＭＯ 它们 用。按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线 『器件和霍尔开关器 开辟了霍尔器件新的应用领域。目前， 生 铁磁层的集成技术在磁传感器领 件 。前者输出模拟量 ， 后者输出数字量。霍尔器件以霍尔效应为其工作 域开创了新的研究方向， 许多研究人员正致力于这方面的研究 ， 进行中 基础 。霍尔器件具有许多优点 ， 它们的结构牢 固， 体积小， 重量轻 ， 寿命 的各种课题包括二维和三维霍尔传感器， 磁断续器和磁通 门等等。 长， 安装方便 ， 功耗小 ， 频率高（ 可达 ｌ ｚ ， ＭＨ ）耐震动 ， 不怕灰尘、 油污 、 水 综匕 所述 ， 由于采用了微 电子工艺 ， 硅霍尔传感器能很好的适用于 汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、 陛度好 ； 线 霍尔开 许多工业应用。 近期硅霍尔传感器的研究进展开辟了许多新的应用， 例 关器件无触点 、 无磨损 、 出波形清晰、 输 无抖动 、 回跳、 无 位置重复精度 如单芯片三维高精度磁探头， 无触点角位置测量 ， 微电机 的精确控制 ， 高（ 可达 ｎ 级） ｌ 。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度 微型电流传感器和磁断续器 ，以及今后将被开发 的其他崭新应用。此 范围宽 ，可达 一 ５ １０Ｃ ５ — ５ ｏ 。按被检测 的对象的性质可将它们的应用分 外 ， 了提高电压灵敏度和横 向温度灵敏度 、 为 减少失调电压 ， 还将 出现 例如等离子霍尔效应及其传感器。 随这 ＾ 类科技 为： 直接应用和间接应用。 前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或 新的测量原理与方法 ， 磁特性， 后者是检测受检对象 匕 人为设置 的磁场 ， 用这个磁场来作被检 的进步 ， 人们对 自然认识的逐步加深 ， 将创造出更辉煌的业绩 。 参 考文献 测的信息 的载体 ， 通过它 ， 将许多非电、 非磁的物理量例如力 、 力矩 、 压 力、 应力 、 位置 、 、 、 位移 速度 加速度、 、 角度 角速度 、 转数、 转速以及工作状 『 ｛广联 大学英语语法呻 上海： １余 １ 华东理工大学出版社，０ ５ ２ ０． 态发生变化的时间等 ， 转变成电量来进行检测和控制。 ｆ王顺安． ２ １ 大学物理 实－ ］ ＮＭ ． 西安： 西北工业大学出版社，９ ４ １３ １ ９ ：４ ． ３霍 尔 效应 研究 领域 的展 望 『 冯瑞 ， 国钧 ． 聚态物理 学新ｉ Ｎｌ．海 ： 海科 学技 术 出版社 ， ３ ］ 金 凝 ＇ －． 上 ￣ ｔ （ 转 １ ６页 ） 下 ４ 自 １７ 从 ８ ９年 ２ ４岁 的研 究生 霍 尔 （ ｄ ｉ ． ａ ） 发 现 霍尔 效 ， １９ ：２ ． Ｅ ｗｎＨ Ｈ ｌ在 １ ９ ２ １８ 作者简介 ： 强（９ ８ ） 男， 师， 事大学物理实验教 学研 究。 祝 １７ 一 ， 技 从
・
பைடு நூலகம்１ ６ ４・
经济科 苑
人 民币升值 对我 国经济 的影 响
杨 岩
（ 大庆市住房公积金管理 中心 ， 黑龙江 大庆 １３０ ） ６ ０ ０ 摘 要 ：０ ０年在 美国即将举行 中期选举之 际， ２１ 美国国会部分议员近 日不断炒作人 民 币问题 ， 图迫使 美国政府将 中国界定为所谓 的 试 “ 汇率操纵国” 。美国国会议 员 ３月 １ ６日公布一项； 率议案 ， １ ２ 再次将 矛头指向人民 币。就在 ３月 １ ５日，３ 位 国会议 员联名致信美国财政部 １０ 长盖 特 纳 和 商务 部 长 骆 家辉 ， 求 将 中国认 定为 “ 率操 纵 国” 并要 求 美 国 商务 部 对 中国 商品 实施 反补 贴制 裁 。 人 民 币升值 是 一 把 “ 刃 要 汇 ， 双 剑”它既给我们带来积极 的影响， ， 也给我们出了不少难题 ， 因此 面对人 民币升值带来的压力及风险， 制定有效的风险防范措施尤为必要。 关键词 ： 升值 ； 胀 ； 融风 险 通 金 自 ２０ ０ ５年 ７ ２ 月 １日汇改 以来 ， 我国开始施行 以市场供求 为基 ２３ ．通货膨胀的压力加大 。人 民币的持续升值 、 外资 的进入 ， 为 础、 有管理的浮动汇率制度 ， 由于美 国经济的衰退 ， 美元 持续贬值 ， 了保证 国民经济稳步增长 ，保持社会稳定 ，自 ２ ０ ０ ８年金额危机 以 造成人民币对美元持续升值 ， ２０ 于 ０ ６年 ５月 １ ５日首次破“ ” ２ ０ 来 ， ８ ，０ ８ 我国货币供应量在持续增长 ， 流动性 过剩逐渐显现 ； 如果人 民币 年 ４月 １ ０日破“ ” 而且还有继续升值的空间 。那 么人 民币升值 对 的持 续升值 、 资涌人 将推动资产价格上涨 ， ７， 外 其产生 的“ 财富效应 ” 我国经济 的影 响究竟是什么样的呢？ 将引起 国内其他产品价格 的上涨 ， 这样使我 国 目前面临通货膨胀 的 １ 升 值 的 积 极 影 响 压力加大 。 １ 可 以有条件的降低进 口产品 的成本 。在进 口产 品价格的涨 ． １ ３ 对 策及 建 议 幅小于人民币升值 的幅度的情况下 ， 民币汇率升值会使进 口的 国 人 ３１ ． 尽可能的改变结算用外 币学会灵活使用各种金融工具来规 外消费品和生产资料 的价格 比以前便宜 ， 有利 于降低进 口成本 。同 避风险。在对外贸易中 ， 要根据变化 了或 即将变化 的经济环境来选 时对 于消费者而言 ， 消费进 口产品 的价格将大大 降低 ； 于一些企 择相对 于比较有利的结算用外币 。既然 国际上美元 、 对 日元相对 于人 业而 言 ， 如果产 品价格 以人民币结算 、 原材料从境外采购 ， 如造纸 、 民币持续贬值 ， 那么可尽可能 的选择其他 的结算 用外 币如欧元 （ 到 汽车等行业 ， 其生产成本因人民币升值而下降 ， 从而提升企业利 润。 目前人 民币相对 于欧元 还是 贬值的 ） 或外 币组合 ， 尽量减少 自己 来 １ ． ２可以减轻外债负担 ， 不论 内债还是外债 ， 从借到还都要经过 的损 失 。 定 的期 限 ， 而在此 期限里 ， 由于受汇率 、 利率的影响 ， 债权人和债 ３ ． ２充分借鉴他 国经验 。例如 ： 日元大 幅度升值后 ， 迫使 日本大 务人都面临着一定的风险。 对于我国的外债而言 ， 为债务人 ， 作 随着 的汽车制造商 （ 田、 田） 丰 本 把企 业搬到北美 ， 这些企业在规避 风险 人 民币升值 ，到期需要偿还 的外债本息所需 的本 币数 量将相应减 损失 的同时 ， 也造就了今天在北美市场上 日本汽车 占有三分之一 的 少， 因此可以减轻 国家和负外债企业 的债务负担 。 ’ 份额 。国内企业可充分借鉴他 国企业成功的经验 ， 集中精力应变。 １ 国 内居 民出国旅游 和留学的成本将会有 一定程度 的降低 。 ． ３ ３３ ． 坚定不移促进 国内消费 ，为增加就业创造条件 。我 国 Ｇ Ｐ Ｄ 人 民币升值 ， 可以使人们花费 比以前更少 的人 民币就可 以到欧美 等 虽然连续多年高增长 ，但是拉动经济 的三驾马车中消费在 Ｇ Ｐ的 Ｄ 地留学 、 旅游。 比重是最小的 ， 通过促 进国内消费 ， 可以明显 改善并解决就业 问题 ， ２ 升 值 的 消极 影 响 这种现况在 ２０ ０ ９年汽车、 家电产品下乡 、 国家税收补贴等政策 中已 人民币升值是一把 “ 双刃剑 ” 它给经济带来积极影 响的同时 ， 经得 到了充分证明。 ， 也给我国现行 的经济带来了一定 程度 的消极影响。 ３４ ．要采取切实有效的宏观经济措施来抑制通货膨胀 。实践证 ２１ ． 不利于我国外 贸企业产 品的出 口。 于出口企业而言 ， 对 其盈 明 ， 在抑制通货膨胀的问题 上 ， 单一的手段是不可取的 ， 其结果 只能 利水平与本外 币的汇率水平密切联 系。 出口产品国际价格不变的 导致价格上涨的速度更快 ， 在 易引 发恶性通货膨胀 。就我 国 目前 的状 同时放 开产品价格 ， 市 让 情况下 ， 如果本 币相对 于某一 国际结算用外 币升值 的话 ， 意味着 况而言应适时采取 紧缩银根 的货 币政策 ， 则 企业与 以前相 比出 口换 回的本 币数量减 少 ， 企业 利润下降 ， 这将严 场来调节价格的走 势 ， 指导资源有效配置 重影响企业 的出口积极性 ， 如果 出口企业为维持一定利润而提高价 ３５实现出 口大 国向出 １强国转 变 ，争取 出品商品的国际定 价 ． ２ １ 格， 则会削弱 出 Ｖ产 品的 国际竞争力 ， Ｉ 不利于 出口的持续 扩大和产 权。 我国已是 出口大国 ， 尚非出 口强 国， 但 大部分商 品在 国际市场上 在这种情况下 ， 民币升值会 削弱我 国商品 人 品在 国际市场上占有率 的提高 。 例如某 服装公司每年出 口额 大概在 是价格 的被动接受者 ， １０ ０ ０万美元左右 ，０ ６年 ，美元对人 民币汇率为 ７４ ： ，０ ０年 ３ 的竞 争力 。例如在新加坡 ， ２０ ．５ １２ １ 一些出 口商可以通过调高商品的出 口价 月 为 ６８ ： ， ． １ 中间差 价高达 ０ ３元 ， 么因 为汇率 的变化 ， ２ ． ６ 那 公司 的 格 以抵消升值带来 的负面影 响， 这说明新加坡 的某些 出口产 品拥有 直接收益便减少了 ６ ０ ３ 万人 民币 。与此 同时 ， 这些 出 口企业 大部分 支配市场的力量 ， 其商 品的国际竞争力没有下降 。 因而 ， 国应实现 我 是劳动密集型的 ， 由于公司利润减少 ， 一般会采取裁员措施 ， 社会失 出口大 国向出口强 国的转变 ， 争取 出 口商品的 国际定价权 ， 积极化 业压力逐步显现并加大 。随着人 民币人对美元 的持续升值 ， 再加 上 解人 民币升值带来 的不利影 响。 ４ 结 论 国内通货膨胀引生产成本提 高 ， 我国出 口企业 特别 是劳动密集型出 口企业 的利润空间缩小 ， 甚至会面临生存危机 。 最后 ， 了应对可能发生 的各种风险 ， 为 要加强研究 ， 做好人 民币 ２２金融风 险会加大 。随着人民币的持续 升值 、 ． 美元不断贬值 、 升值的预案。 当前人 民币升值压力较大 ， 我国应 当借鉴国际经验 ， 加 增加 了债权人 的损失。 于外债 ， 对 作为债权人 的国家和企业 ， 随着本 强研究 ， 做好人 民币升值 的多种预案 ， 汇率形成机制 、 对 制度设计 、 币的不断升值 ， 其损失也在不断增加 。我 国是世界上持有美元外 汇 升值 的时机 、 频率 、 幅度及可能的影响进行科学 的论证 ， 并研究其它 储备最多 的国家 ， 同时是美 国最大的债权人 ， 在人 民币升值 、 美元 贬 配套 的宏 观经 济政策 ， 高宏 观经济政策 的前 瞻性 和预见性 ， 提 尽快 值的过程 中 ， 损失最 大。与此 同时 国际游资和热钱会 以各种方式和 化解 人民币升值压力 ， 减少国际贸易摩擦 ， 促进产业结构 和产品结 手段进入我 国股票市场和房地产市场 ， 这部分资金规模 大 、 流动快 、 构 的升级 。 趋利性强 ， 是造成金融市场动荡的潜在因素。