霍爾效應(yīng)與它的應(yīng)用

張運(yùn)策

摘 要：霍爾效應(yīng)是一種磁電效應(yīng)，日常生活中隨處可見(jiàn)各種各樣的用半導(dǎo)體材料做成的霍爾元器件。自20世紀(jì)80年代起，微機(jī)械加工技術(shù)越來(lái)越成熟，大規(guī)模集成電路有了巨大的發(fā)展，霍爾元件也改變了一貫的平面發(fā)展方向，轉(zhuǎn)向三維發(fā)展。從此，三端口和四端口的傳感器相繼被生產(chǎn)出來(lái)，加上集成電路錦上添花的作用，很快便得到了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）12-0-01

引言

站在歷史的長(zhǎng)廊中來(lái)看，霍爾效應(yīng)自1879年被發(fā)現(xiàn)，至今已有百年以上的歷史。但總的來(lái)說(shuō)包括以下三個(gè)階段：第一階段需歸朔到20世紀(jì)40年代前期，當(dāng)時(shí)的技術(shù)還處于比較落后的狀態(tài)，金屬材料中電子濃度比正常水平高，導(dǎo)致霍爾效應(yīng)十分微弱，人們并沒(méi)有太關(guān)注于它，即使生產(chǎn)出來(lái)的傳感器價(jià)值也不大。第二階段則是20世紀(jì)40年代中期，半導(dǎo)體技術(shù)出現(xiàn)后，各式各樣的半導(dǎo)體元件出現(xiàn)在人們的生活中。跟隨著時(shí)代的腳步和科技的迅猛發(fā)展，采用分立霍爾元件加工制造的傳感器逐漸聞名于世。第三階段主要是從60年代后期開始，電路技術(shù)不斷發(fā)展起來(lái)，出現(xiàn)了將相關(guān)信號(hào)和半導(dǎo)元件調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器，并在生活中得到廣泛運(yùn)用。

一、霍爾效應(yīng)

1879年，霍爾通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)方向不同情況的螺旋狀金屬絲總電阻發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，它說(shuō)明了磁場(chǎng)與感應(yīng)電壓之間的關(guān)系。它與傳統(tǒng)效應(yīng)最大的差別是：假設(shè)，導(dǎo)體于磁場(chǎng)中，使電流通過(guò)，磁場(chǎng)便會(huì)產(chǎn)生與電子方向垂直方向的作用力于導(dǎo)體。由此，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電勢(shì)差，將其稱為霍爾電勢(shì)差。

即使曾經(jīng)這個(gè)效應(yīng)被大家所了解，然而，基于霍爾效應(yīng)制造的傳感器并沒(méi)有帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的效應(yīng)，因此并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。但隨著科技的不斷更新進(jìn)步，出現(xiàn)了高強(qiáng)度恒定磁體，還有小電壓輸出信號(hào)調(diào)節(jié)的電路。通過(guò)改變不同的設(shè)計(jì)和配置，霍爾效應(yīng)傳感器才可以作為線性或者開關(guān)傳感器。

二、霍爾效應(yīng)原理

由于磁場(chǎng)作用力的影響，導(dǎo)體中的載流子受到洛侖磁力的影響產(chǎn)生偏移，形成了一種和電流相垂直方向的電場(chǎng)。導(dǎo)體想要穩(wěn)定的運(yùn)行必須設(shè)法建立一個(gè)平衡的狀態(tài)，于是，穩(wěn)定的電壓便被建立了，在穩(wěn)定電壓的作用下，電場(chǎng)之間的斥力和洛侖磁力達(dá)到平衡。

所以，如果導(dǎo)體的霍爾系數(shù)已知，已知電流方向和大小，與此同時(shí)，測(cè)出該導(dǎo)體兩側(cè)的霍爾電勢(shì)差的方向與大小，就可以得到該導(dǎo)體所處于的磁場(chǎng)的方向和大小。

三、霍爾效應(yīng)的應(yīng)用

依靠國(guó)家對(duì)科技的大力支持，科學(xué)技術(shù)的不斷前進(jìn)，半導(dǎo)體工藝取得了飛速的發(fā)展，人們很快發(fā)現(xiàn)了使用半導(dǎo)體材料制成的元件具有體積小、輸出電壓變化大、對(duì)磁場(chǎng)較敏感的特點(diǎn)。近年來(lái)，越來(lái)越多的半導(dǎo)體霍爾元件被廣泛應(yīng)用于電磁測(cè)量、計(jì)算和通訊設(shè)置中。下面以幾個(gè)例子簡(jiǎn)要說(shuō)明霍爾效應(yīng)的應(yīng)用。

1.測(cè)量半導(dǎo)體的特性

霍爾效應(yīng)對(duì)于半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)起著至關(guān)重要的作用。假如說(shuō)，與電流方向相反的方向?yàn)閹ж?fù)電的載流子，此時(shí)，有向下的洛侖磁力。由此可見(jiàn)，導(dǎo)體的上界面帶正電，帶負(fù)電的處于下界面。通過(guò)這個(gè)結(jié)論可以看出，上下界面一旦被測(cè)出符號(hào)以后，便可以確定載流子的符號(hào)了，然后就可以測(cè)出半導(dǎo)體是P型還是N型。

2.磁流體發(fā)電

科學(xué)發(fā)展是第一生產(chǎn)力。從20世紀(jì)50年代末開始進(jìn)行磁流體發(fā)電技術(shù)的研究?；魻栃?yīng)的應(yīng)用主要?dú)w功于等離子，電動(dòng)勢(shì)主要是依靠磁場(chǎng)中的等離子分離集聚形成的兩個(gè)極板。這種方式打破了傳統(tǒng)的發(fā)電形式，將燃燒的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能去使用，新型的發(fā)電方式映入眼簾，它的熱能效率轉(zhuǎn)化較之前有了大大的提高，而且滿足了環(huán)境對(duì)環(huán)保的要求。

3.電磁無(wú)損探傷

探傷方面的應(yīng)用也是霍爾效應(yīng)的一項(xiàng)重大突破，主要是利用鐵磁性材料有高磁導(dǎo)率這個(gè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展的。我們可以通過(guò)對(duì)元件的磁場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)來(lái)確認(rèn)是否有缺陷的存在，就拿我們常用的鋼絲繩來(lái)說(shuō)，它經(jīng)常被用于起重、運(yùn)輸?shù)瘸休d的設(shè)備中，但是在被應(yīng)用于礦山等環(huán)境惡劣的情況下的時(shí)候，它的表面就易產(chǎn)生磨損，及時(shí)對(duì)鋼絲繩探傷是非常重要的。無(wú)損探傷是迄今工業(yè)中較為安全可靠的一種檢測(cè)方法，經(jīng)常被用于各種材料和設(shè)備的診斷上。

4.霍爾傳感器

以霍爾原理構(gòu)成的各種磁敏傳感器被簡(jiǎn)稱為霍爾傳感器，它的原理是利用電壓與外加磁場(chǎng)的關(guān)系，兩者的正比關(guān)系可以制造出很多種線性傳感器，包括電學(xué)傳感器和非電學(xué)傳感器。比如說(shuō)，測(cè)量磁場(chǎng)的方式有很多，就如控制電流的大小，不僅可以測(cè)出交、直流的磁感應(yīng)強(qiáng)度，還可以測(cè)量出磁場(chǎng)的強(qiáng)度。另一方面，可以讓磁場(chǎng)為定量，控制為一定的方向和大小，可以測(cè)量交流和直流的電壓和電流。

利用這個(gè)原理，電學(xué)以外的非電學(xué)量也可以被測(cè)試出來(lái)，比如位移、振動(dòng)就可以被精確的測(cè)量出來(lái)。由此可見(jiàn)，霍爾傳感器對(duì)我們的日常生活有著至關(guān)重要的影響，在工業(yè)生產(chǎn)上也有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

總結(jié)

霍爾效應(yīng)是一項(xiàng)很早的物理研究。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，在新的實(shí)驗(yàn)條件下，在霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展了整數(shù)霍爾效應(yīng)，再到分?jǐn)?shù)霍爾效應(yīng)，已經(jīng)取得了不少的新的科研成果，對(duì)物理學(xué)的發(fā)展也起著不可忽視的作用，對(duì)于這一效應(yīng)本身而言，也是一次質(zhì)的飛躍。或許，以后會(huì)有新的磁電子學(xué)科目的產(chǎn)生，霍爾效應(yīng)促進(jìn)科技的進(jìn)一步發(fā)展，帶動(dòng)我們的生活進(jìn)一步完善都是有可能的，我們?cè)诓粩嗯χ衅谂涡碌目茖W(xué)成果。

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