磁电效应及其应用探讨

磁电效应(Magnetoelectric Effect)包括电流磁效应和狭义的磁电效应。电流磁效应是指磁场对通有电流的物体引起的电效应,如磁阻效应(Magnetoresistive Effect)和霍尔效应;狭义的磁电效应是指物体由电场作用产生的磁化效应(称作电致磁电效应)或由磁场作用产生的电极化效应(称作磁致磁电效应)。

1.霍尔效应

对于置于磁场中的载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上的平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称为霍尔效应(如图2.4所示)。

导体板两侧形成的电势差UH称为霍尔电压。产生霍尔效应的原因是形成电流的、做定向运动的带电粒子,即载流子(N 型半导体中的载流子是带负电荷的电子,P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴)在磁场中受到洛伦兹力F=ev×B 作用。

霍尔效应

图2.4　霍尔效应

霍尔电势可以表示为

其中,I表示通过导体的电流强度,B 表示磁场的磁感应强度,RH为霍尔系数。

霍尔系数RH为

其中,ρ——载流子的电阻率,μ——载流子的迁移率。d 越小,RH越大,则感生电动势越大,故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的N 型半导体材料制作的薄片,厚度为微米级。霍尔元件示意图如图2.5所示。(www.xing528.com)

图2.5　霍尔元件示意图

a、a′—激励电极、控制电极;b、b′—霍尔电极

根据霍尔效应,半导体材料可以构成各种霍尔传感器。例如,当控制电流时,可以测量交直流磁感应强度和磁场强度;当控制电流、电压的比例关系时,可测量功率;当固定磁场强度大小及方向时,可以测量交直流电流和电压。利用这一原理还可以一步精确测量力、位移、压差、角度、振动、转速、加速度等各种参量。

2.磁阻效应

1857年英国物理学家汤姆森发现,当通以电流的半导体或金属薄片置于与电流垂直或平行的外磁场中时,其电阻会随外加磁场变化而变化,这种现象称之为磁阻效应。在磁场作用下,半导体片内电流分布是不均匀的,改变磁场的强弱会影响电流密度的分布,故表现为半导体片的电阻变化。

其中,ρ0——零磁场时的电阻率;Δρ——磁感应强度为B 时电阻率的变化量;K——比例因子;μ——电子迁移率;B——磁感应强度;L——磁敏电阻的长;b——磁敏电阻的宽;f(L/b)——形状效应系数。

同霍尔效应一样,磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。与霍尔效应有区别,霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压,而磁阻效应是指沿电流方向的电阻变化。

磁阻效应与材料的性质及几何形状有关,一般电子迁移率越大的材料,磁阻效应越显著,而元件的长宽比越小,磁阻效应越大,如图2.6所示。

图2.6　磁阻效应

目前,从一般磁阻开始,磁阻发展经历了巨磁阻(GMR)、庞磁阻(CMR)、穿隧磁(TMR)、直冲磁阻(BMR)和异常磁阻(EMR)。磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表磁存储(磁卡、硬盘)等领域。