霍尔效应的应用与发展.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：霍尔效应的应用与发展默认分类2008-06-0423:19阅读603评论1字号：大大中中小小一．霍尔效应原理1879年霍尔(A.H.Hall)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身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[3>[5>[6>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。霍尔元件应用十分广泛大致可分为以下几个方向。1.测量载流子浓度：根据霍尔电压产生的公式以及在外加磁场中测量的霍尔电压可以判断传导载流子的极性与浓度这种方式被广泛的利用于半导体中掺杂载体的性质与浓度的测量上。2.测量磁场强度：只要测出霍尔电压VBB’即可算出磁场B的大小；并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子P型半导体多数载流子为空穴)则由VBB’的正负可测出磁场方向反之若已知磁场方向则可判断载流子类型。3.测量电流强度：将图4中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中霍尔器件是磁场检测器它检测的是磁芯气隙中的磁