霍尔效应及其应用1学案.ppt

* 霍尔效应的应用 引言 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·经典霍尔效应 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，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。 二·量子霍尔效应 按经典霍尔效应理论，霍尔电阻RH（RH=U/I=K·B/d= B/nqd）应随B 连续变化并随着n（载流子浓度）的增大而减小，但是，1980 年，克利青在1.5K 极低温度和18.9T 强磁场下，测量金属——氧化物——半导体场效应晶体管时，发现其霍尔电阻RH随磁场的变化出现了一系列量子化平台，即RH =h/Ne*(e*表示e的平方，h 为普朗克常数，e为电子电量，N=1,2?整数)，这种现象称为整数量子霍尔效应(IQHE)。1982 年，崔琦和施特默等人在比整数量子霍尔效应更低的温度0.1K 和更强的磁场20T 条件下，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，即RH =h/ve*(v=1/3,2/3,4/3,5/3,1/5),故称为分数量子霍尔效应(FQHE)。一年后，劳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 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20世纪60 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 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 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、 自动控制、计算与通讯装置中。主要表 现在以下几个方面:(1)测量磁场;(2)测量 半导体特性;(3)磁流体发电; (4)电磁无损探伤;(5)霍尔传 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 磁感应强度的仪器——高斯计。 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。 依据（1）式，U可用毫伏计测 量，K、I 也可用相应的仪器测 量，因此，就可以方便地算出B 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 待测磁场中，B便可以直接读出. 非常方便。如果要求被测磁场精 度较高，如优于± 0.5%，那么， 通常选用砷化镓霍尔元件，其灵 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，体积要求不高，如精度低于± 0.5%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 导体的性质测量来说意义重大。设导体 中电流方向如图1所示，如果载流子带 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， 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 而下界面带正电。由此可以看出，只要