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霍尔效应现象的原理

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发表于 2015-7-24 15:46:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
1879年,美国物理学家霍尔发现一个奇特的现象。把通有电流I的导电薄片放在磁场中,并让磁场H和薄片平面垂直(见图1),则在薄片的3、4两面间,也就是既和电流方向垂直、又和磁力线垂直的方向上,会有电势差产生。这个现象称为霍尔效应。但是,用金属作为这个导体薄片时,所产生的霍尔电势差非常小,用一般仪器很难把它指示出来。因此,长期以来,霍尔效应在实用上并没有得到重视。近十几年来,由于半导体技术的迅速发展,已经制造出了霍尔效应比较显著的半导体材料,因此用这种材料制造的霍尔效应器件日益得到广泛的应用。这种器件的结构简单、体积小,工作稳定可靠,在要求满足一些特殊需要的场合下,很难用别的器件来代替。正因为这样,霍尔效应巴经引起了人们的广泛注意。

霍尔效应

霍尔效应

霍尔效应的实质
任何带电质点,在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时,都要受到磁场的作用力,这种力称为洛仑兹力。力的大小和质点的电荷(e)、磁场强度(H)以及质点的运动速度(v)成正比,即f=ceHv(式中c是一个比例常数)。力的方向可由左手定则确定。把左手的拇指、食指和中指相互垂直地伸出(图2a),食指指磁场H的方向,中指指正电荷运动的方向(v),这时拇指所指的就是正电荷受力的方向(参看图2b)。假如质点所带的电荷是负的,这时仍将在手的食指指磁场的方向,但中指要指向和负电荷运动(v)相反的方向,这样拇指所指的就是负电荷受力的方向了(参看图2c)。

霍尔效应的实质

霍尔效应的实质

大家知道,导体或半导体中所以有电流,是由于其中的带电质点(电子或空穴)在电场作用下作定向运动的缘故。大多数的金属以及n型半导体都是由电子来导电的。图3a示一块n型半导体薄片。把它放在磁场中,磁场(H)的方向是从上往下。当电流从1端流向2端时,自由电子是从2端向1端运动。运动的电子在磁场中受到洛仑兹力的作用,根据左手定则可以知道这个作用力是向后(4端边)的,因而电子的运动轨迹向后弯曲,结果使4端边的电子密度增大,3端边的电子密度减小。这样,在3、4两端就形成了一个电势,3端为正,4端为负。这个电势也对电子产生一个作用力,方向是向前(3端边)的,它阻止电子向后运动,也就是说,它的作用正好和洛仑兹力相反。因此,当4端边的电子累积到一定程度,使得所产生电势的作用力正好和洛仑兹力相等时,电子就不再向后运动。这样,3、4两端间就表现出一个固定数值的电势——霍尔电势。霍尔效应的实质就在于此。

半导体薄片

半导体薄片

图3b是一块P型半导体薄片,仍然把它放在上述的磁场中,并保持电流的方向不变。P型半导体中的导电质点是空穴(空穴可以看作是带正电荷的质点),它运动的方向是从1端到2端。根据左手定则,空穴所受的洛仑兹力仍然是问后(4端边)的,它的运动轨迹仍然向后弯曲,使4端边积累正电荷,从而在3、4两端间形成霍尔电势。不过这时是4端为正,3端为负,霍尔电势的方向刚好和n到半导体的情况相反。因此,在半导体技术中,常利用这种方法来判断半导体材料是n型的或是P型的。
实验证明,霍尔电势的大小,和电流I以及磁场强度H成正比,用公式表示即:V3,4=K·I·H。式中的K称为霍尔常数,它的数值决定于温度、所用半导作片的特性和尺寸等。从这个公式可以看到,一方面,如果已知K和I,那么,根据所测得的霍尔电势的大小,就可以求得磁场强度H;另一方面,如果改变I,或改变H,或同时改变两者,就可以改变V3,4,或者说控制V3,4的变化。利用这些特性和其它一些特性,可以使上述半导体霍尔电势发生器获得极为广泛的应用。本文打算举几个例子,来说明这种霍尔器件应用的原理。

测量磁场强度、电流和功率
霍尔电势发生器能用来检测磁场。如图1所示,在1、2两端间通以恒定电流,3、4端间的霍尔电势就和磁场强度H成正比。在电压表上可以直接刻上磁场强度的高斯数,测量读数很方便。由于霍尔发生器可以做得很薄很小,所以能用来准确地测量非均匀磁场各点上或狭窄空气隙中的磁场强度。另外,由于发生器的结构是固定的,有足够的机械强度,使用时不需拆动任何零件,所以使用和维护都很简便。

测量磁场强度、电流和功率

测量磁场强度、电流和功率

普通的电流表有一个共同的缺点,就是在测量导线中的电流时,必须把这根导线断开,把电流表串接到电路里去。这样做很不方便。但是利用霍尔效应制成的电流表,不必断开导线就可以测量其中的电流。因为导线中通过电流时,在导线周围就要产生磁场,而磁场强度的大小是和导线内的电流成正比的,所以只要测量导线周围某一点的磁场强度,就可以推知导线内电流的大小了。如图4所示,把一块很小的半导体簿片平行地放在要测量电流的那根导线的旁边。在1、2两端通过一恒定的电流,测量3、4两端的电压,就可以读出导线内电流的大小。用这种方法测量大电流是特别合适的,同时不论直流和交流都可以进行测量。测量功率的原理图见图5。激磁电流Im和负载电流IL成正比,因而H和IL成正比;控制电流I和电源电压成正比,因而基本上也和VL成正比(激磁线圈的压降很小,可以忽略)。因此,负载消耗的功率PL=VLIL和乘积HI成正比。由于霍尔电势V=KHI,所以电压表指出的霍尔电压V也就和VLIL=PL成正比。这样,就可以用电压表测得的电压V来代表功率PL。

测量功率的原理图

测量功率的原理图


代替电子管的工作
放大。如图6所示,在霍尔发生器1、2两点间通过恒定的电流I1,在激磁线圈5、6两端加上待放大的电压。由于磁场H随着信号电压而变化,3、4两端所产生的霍尔电压就和接到线圈上的电压成正比,并且放大了几倍。这种放大器由于没有零点漂移现象,所以非常适合放大直流电压或变化极缓慢的交流电压,而这样的电压用电子管来放大是很麻烦的。

代替电子管的工作

代替电子管的工作

振荡
如果把霍尔效应放大器的输出信号反馈到激磁线圈中去,那么,和电子管反馈振荡器的原理一样,也可以作成霍尔效应振荡器。

调幅
如果在图6的1、2两端通过低频交流信号,在5、6两端通过高频载波振荡,那么,3、4两端的霍尔电势就是幅度按低频信号频率而变化的高频信号,这样就完成了调幅作用。

检波和倍频
如果在图6的1、2两端通过已调幅的高频信号,在5、6两端通过同一高频的等幅信号。那么,从输出的霍尔电势中滤除高频分量,就可检出低频调制信号,完成了检波作用。要是在3、4两端间用谐振回路专门取出二次谐波分量,霍尔器件就成了一个倍频器。

简单的运算器
电子计算机中的基本运算有加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分等。以前,这些运算器都是用电子管或晶体管做成的,它们的机构复杂庞大,很难制作。根据霍尔效应可以制成所有上述计算元件,而且非常简单,也很可靠。例如,在图6中,如果使磁场强度H正比于一个变量,1、2两端通过的电流I1正比于另一个变量,则3、4两端的霍尔电势就正比于这两个变量的乘积。这样就完成了乘法运算。加法电路的原理图见图7。这时通过1、2两端的是恒定的电流,在绕线方向相同的线圈1和2中分别通过正比于加数、被加数的电流。这样,在半导体片表面的磁场强度H就正比于这两个电流之和,因而3、4两端所产生的霍尔电势就正比于上述两个数目之和,完成了加法运算。用多个独立线圈,就可以得到多个数相加的结果。如果某些线圈的绕向相反,就可以实现减法运算。

加法电路原理图

加法电路原理图


没有磁性的指南针
如图8a所示,把半导体材料制成的知形条放在地磁场中,当1、2两端通电流时,由于电流的方向和地球磁力线的方向互相垂直,于是在3、4两端就产生了霍尔电势。在水平面内逐渐转动这个矩形条,由于磁场垂直于电流方向的分量逐渐减小,霍尔电势就逐渐变小。当转到图8b的位置时,由于电流方向和磁力线方向平行,霍尔电势就变为0了。根据输出的霍尔电势的大小,就可以知道矩形条所指的方向,也可以直接利用这个电势自动调节飞机或轮船的航行方向。这一点是这种指南针的突出优点。普通指南针只能供人看,没法直接去控制机器,因此不能用在自动控制设备里。

没有磁性的指南针

没有磁性的指南针


霍尔效应放音头
霍尔效应放音头的构造见图9。录了音的磁带在放音头的导磁极靴前通过时,磁带上的音迹磁场即被加到霍尔电势发生器上。通过1、2两端的电流是恒定的,所以3、4两端的霍尔电势和音迹磁场相应地变化。把这个电势加以放大,就得到了原来的音频信号电压。这种磁头结构简单、灵敏度高、工作频率范围大、失真小,同时对屏蔽装置的要求较低。

霍尔效应放音头构造

霍尔效应放音头构造


转速计
霍尔发生器还可以用来测量转速。如图10所示,在非磁性圆盘圆周上的某一点嵌入一小块永久磁铁。把霍尔发生器安装到接近圆盘的地方。圆盘每转动一周,就得到霍尔电势的一个脉冲输出。用计数器把脉冲的数目记录下来,就可以测定圆盘的转速了。用这种方法测量转速的测量范围很大,而且精确度高。

霍尔发生器

霍尔发生器

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发表于 2016-3-7 14:41:26 | 显示全部楼层
太高深了,楼主理论好强大

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太高深了,楼主理论好强大1111111

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发表于 2018-2-25 21:17:22 | 显示全部楼层
学习了,感谢分享!

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