霍尔效应实例讲解（一文读懂霍尔效应）

概述

霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔(E.H.Hall，1855-1938)于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应使用左手定则判断。

原理

在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场力与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，这个现象称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。

应用

根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。

现代汽车上广泛应用的霍尔器件有:在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。

1.汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元(ECU)的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。

2.汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。

3.霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换;可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。如今的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40℃到零上150℃范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

科研进展

1.郭光灿院士团队在光量子芯片研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组与中山大学董建文、浙江大学戴道锌等研究组合作，基于光子能谷霍尔效应，在能谷相关拓扑绝缘体芯片结构中实现了量子干涉，相关成果以“编辑推荐文章( Editors' Suggestion)”的形式6月11日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

图2.光量子芯片研究图

2.宾州州立大学常翠祖、Moses H. W. Chan、Nitin Samarth等人发现，将拓扑绝缘体（TI）层插入两磁性TI层之间（形成三明治结构），在此基础上，通过电场栅控可实现量子反常霍尔效应（QAHE）和拓扑霍尔效应（THE）的共存。THE通过体载流子测得，QAHE则通过手性边缘态反映。其中，量子反常霍尔绝缘体系中的THE来源于手性磁畴壁（注：手性磁畴壁来源于栅诱导的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用），且该THE发生于磁性TI三明治结构的磁化反转过程。作者认为，手性边缘态和手性自旋结构的共存为实现零耗散自旋电子应用提供了平台。

图1. TI三明治异质结构中的QAHE

图2. 在TI三明治异质结构中实现QAHE和THE的共存

论文链接：

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.230503

[2]https://www.nature.com/articles/s41563-020-0605-z

重磅推荐

关注“硕博测试圈”，后台回复关键词，可领取各种干货大礼包和期刊解读的文献原文！

回复“857”，可免费领取常见仪器基础知识干货大礼包！

回复“176”，可免费领取BET干货大礼包！

回复“968”，可免费领取红外、紫外、质谱、NMR干货大礼包！

回复“359”，可免费领取Raman干货大礼包！

回复“485”，可免费领取TEM干货大礼包！

回复“125”，可免费领取XRD干货大礼包！

回复“362”，可免费领取论文技巧大礼包！

回复“666”，可免费领取XPS干货大礼包！

回复“888”，可免费领取同步辐射干货大礼包！

......

更多干货领取，关注硕博测试圈！