霍尔效应论文

霍尔效应实验应用与拓展

作者：

（东南大学，交通学院南京）

摘要：1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量并绘制试样的V H－I S和V H－I M曲线。3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。4.霍尔元件的应用与当前发展状况。

关键词：霍尔效应测量方法应用发展前景

Hall effect experimental application and the

development

(Department of transportation Southeast University, Nanjing 210096)

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 conductive 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：随着半导体物理学的迅速发展，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。通过实验测量半导

体材料的霍尔系数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

等主要参数。若能测量霍尔系数和电导率

随温度变化的关系，还可以求出半导体材

料的杂质电离能和材料的禁带宽度。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。在工业生产

要求自动检测和控制的今天，作为敏感元

件之一的霍尔器件，将有更广阔的应用前

景。了解这一富有实用性的实验，对日后

的工作将有益处。

一．霍尔效应原理

1879年霍尔在实验中发现：在均匀强磁场B中放入一块板状金属导体，并与磁场B方向垂直如图1，在金属板中沿与磁场B垂直的方向通以电流I的时

候，在金属板上下表面之间会出现横向电势差UH 这种现象称为霍尔效应，电势差UH 称为霍尔电势差。进一步的观察实验还指出，霍尔电势差UH 大小与磁感应强度B和电流强度I的大小都成正比，而与金属板的厚度d成反比。即UH =RHIB/d (V)；式中RH——（m3C-1）仅与导体材料有关，称为霍尔系数。当时虽然发现了霍尔效应现象，但在发现电子以前，人们不知道导体中的载流子是什么，不能从电子运动的角度加以解释霍尔效应的物理现象，现在我们按电子学理论对霍尔效应做了如下的解释：金属中的电流就是自由电子的定向流动，运动中的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用。设电子以定向速度运动，在磁场B中，电子就要受到力f=－e 的作用，沿着f所指的方向漂移，从而使导体上表面积累过多的电子，下表面出现电子不足，从而在导体内产生方向向上的电场。当这电场对电子的作用力－eEH 正好与磁场作用力f相平衡时，达到稳定状态。

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制成霍尔元件。霍尔元件一般采用N型锗（Ge）,锑化铟（InSb）和砷化铟（InA）等半导体材料制成。锑化铟元件的霍尔输出电势较大，但受温度的影响也大；锗元件的输出电势小，受温度影响小，线性度较好。因此，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用。按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件和霍尔开关器件。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，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，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、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

二．霍尔元件的应用与当前发展状况

自从霍尔效应被发现100多年以来,它的应用经历了三个阶段:

第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。最初,由于金属材料中的电子浓度很大,而霍尔效应十分微弱,所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器,但实用价值不大,到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件,作为磁场传感器。但是,由于当时未找到更合适的材料,研究处于停顿状态。

第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出现之后,随着半导体材料、制造工艺和技术的应用,出现了各种半导体霍尔元件,特别是锗的采用

推动了霍尔元件的发展,相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器。

第三阶段是自20世纪60年代开始,随着集成电路技术的发展,出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。进入20世纪80年代,随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展,霍尔元件从平面向三维方向发展,出现了三端口或四端口固态霍尔传感器,实现

了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。霍尔集成电路出现以后，很快便得到了广泛应用。