霍尔效应
什么是霍尔效应
什么是霍尔效应什么是霍尔效应？它通常是指电子在受到磁场作用时，内部的电子密度随磁场增加的现象。
这种效应叫磁场效应。
简单的说，就是磁场效应使电子密度改变时，电子具有不均匀分布的特性，会出现这种现象叫做霍尔效应。
1、电磁感应磁场对电子产生作用时会产生电子感应现象，它在磁场中作用时，电子可产生各种不同的电磁感应现象。
其中很重要的一种，就是人们常说到的电磁感应现象。
根据电磁学中描述电磁感应现象的电磁感应定律，其基本单位为欧姆）。
当电流通过某种物体时，可产生感应电流。
这就是电磁感应现象。
在某些电子系统中，若利用磁场产生交变电流，这一交变电流可以改变其磁场，将影响磁场的方向或强度。
因此当磁场强度变大时，感应强度变化幅度也就越大，这种现象称为“磁效应”。
2、电磁场与磁场相互作用电荷的质量与大小不会随磁场大小变化。
电磁场强度有关，可以用TS表示。
当发生在电子设备中时，会使磁场方向发生变化。
通常认为是由磁场引起的，也可以认为是磁致伸缩。
.由于电流通过磁化轨道，使磁化方向发生了变化。
所以电磁场间的相互作用和电磁场与电子之间相互作用是相互影响的。
由于电荷在分子间作用力可以把电荷从原子转移到自由电子上而不会使电子变得不能再存在，这就是人们常说到的电流效应和霍尔效应。
3、霍尔效应对电磁系统的影响对于电磁系统，霍尔效应的作用是十分明显的。
当磁场作用于绝缘体上时，随着磁场的增大，绝缘体上电子密度也随之增加。
当外加电压大于导体电流密度和电阻率时，电子就会沿着这个路径移动直至到达导体的边缘。
在感应电路中电子随磁场移动也是一个常见特征，而且这种现象可分为以下几种情况:(1)电磁感应定律与霍尔效应都是在导体中发生。
当一个导体受到外力时电荷会产生相互作用，而引起电荷传递反应的电流则可以沿着被施加磁性物体的磁道方向通过。
4、霍尔效应现象的解释因为电子和质子之间没有运动，所以电子的轨道在磁场中运动的方向是不受磁场控制的。
当磁场比较强或者比较弱时（特别是电子),它会导致周围离子发生电离，这时电子的轨道不在一个固定的区域内了。
霍尔效应原理
霍尔效应原理霍尔效应原理是指在导体中通过存在磁场时，垂直于电流方向和磁场方向的方向上会产生一种电势差现象，这个现象被称为霍尔效应。
霍尔效应主要应用于传感器、磁场测量和电流测量等领域。
本文将详细介绍霍尔效应的原理、应用和发展。
一、原理1. 基本概念霍尔效应是由物理学家愛德溫·赫爾（Edwin Hall）在1879年首次发现的。
在一块导体中，正如导体移动的电荷体现为电流一样，霍尔效应是电流运动所引起的电荷堆积所产生的电势差。
这种电势差与导体垂直方向上的磁场大小和电流大小有关。
2. 工作原理当一个导体上有电流通过时，电子会受到洛伦兹力的作用而偏转。
洛伦兹力使电子在一侧堆积，另一侧产生电荷的亏损。
这种电势差的产生导致了电子的漂移，最终达到电势差平衡，同时垂直方向也会产生Hall电压（霍尔电压）。
霍尔电压与洛伦兹力的大小和电子漂移的速度成正比，与导体上的电流和磁感应强度成正比。
二、应用霍尔效应在电子技术和传感器领域有着广泛的应用。
1. 传感器基于霍尔效应的磁场传感器广泛应用于测量和检测领域。
通过检测电势差和磁场的大小，可以测量磁场的强度和方向。
这种传感器可以用于车辆导航、位置检测和磁性材料的测试等。
2. 电流测量霍尔效应也可用于测量电流的大小。
通过将电流通过一个导线并使其与磁场垂直，可以测量电流大小。
这种电流传感器常用于电子设备、电机控制和电力系统中。
3. 锁相放大器霍尔效应的原理被应用于锁相放大器。
锁相放大器是一种用于测量弱信号的仪器。
通过将霍尔元件置于电路中，可以实现对信号的放大和检测，从而提高系统的灵敏度和精度。
三、发展随着技术的发展，霍尔效应的应用越来越广泛，同时也出现了一些改进和发展。
1. 高精度磁场传感器目前，磁场传感器不仅能够测量磁场的大小，还可以提供更高的精度和稳定性。
这些传感器不仅应用于物理磁场测量，还广泛用于生物医学、地质勘探与导航等领域。
2. 三维测量近年来，研究人员还开发出了用于进行三维磁场测量的霍尔传感器。
霍尔效应
霍尔效应1879年，24岁的美国人霍尔在研究载流导体在磁场中所受力的性质时看，发现了一种电磁效应，即如果在电流的垂直方向加上磁场，则在同电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场。
这个效应后来被称为霍尔效应。
产生的电压(U H)，叫做霍尔电压。
好比一条路, 本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动。
当有磁场时, 大家可能会被推到靠路的右边行走，故路(导体) 的两侧, 就会产生电压差。
这个就叫“霍尔效应”。
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，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
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。
实验目的1. 了解霍尔效应实验原理2. 测量霍尔电流与霍尔电压之间和励磁电流与霍尔电压之间的关系3. 学会用霍尔元件测量磁场分布的基本方法4. 学会用“对称测量法”消除负效应的影响实验原理1. 霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
当电流I沿X轴方向垂直于外磁场B(沿Z方向)通过导体时，在Y方向，即导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差V H，如图1所示，这现象称为霍尔效应。
这个电势差也被叫做霍尔电压。
实验表明，在磁场不太强时，霍尔电压V H 与电流强度I 和磁感应强度B 成正比，与板的厚度d 成反比，即IB K dIBR V H HH ==(1)。
其中RH 称为霍尔系数，KH 称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv/(mA.T)。
霍尔效应(Hall Effect)
8
外加一磁场沿正y轴
在动并A1受，正A2Z间方加向一磁电场位作差用使力电F洞B 以q漂v流速B 度沿正x方向运
因材料原呈电中性，故有相等之负电荷累积在材料下 方并产生负Z方向静电力Fe＝qE
稳定态时，FB=FE 即 qvB＝qE
E=vB
此时上下两侧之电压差即为霍尔电压
归零
使用按钮上方英文字
所提示功能时，须先 按住SHIFT键才可使 用。
选取单位
数值撷取
范围设定
11
实验仪器
探针置入位置
测
厚 压 克 力 垫
磁 场 测 试 板
探 针
试 板 放 置 处
片
待
磁
测
铁
半
架
导
体
材料12如 Nhomakorabea量测磁场
先将高斯计执行 归零程序。
依操作说明找出磁 鐵N、S极。
量测示意图
将实验器材架设好，
14
9
计算
J nev I I A ab
v B E VH b
n IB aeVH
n : 載子濃度 e : 電荷電量 v: 漂移速度 J : 電流密度 B : 外加磁場 VH : 霍爾電壓 a : 樣品厚度(y方向) b : 樣品高度(z方向) A : 電流通過之樣品截面積
10
实验仪器-----高斯计(量测磁场使用 )
多数载子为电洞，少数载子为电子。
三价杂质通常为硼(B) 、鋁(Al)、鎵(Ga)、 銦(In)。
6
N型半导体
在纯硅中加入五价元素杂質，使每个硅原子与五价 杂质结合成共价键时多一电子，即为N型半导体。
多数载子为电子，少数载子为电洞。 五价杂质通常为磷(P)、
霍尔效应总结
霍尔效应总结霍尔效应是由美国物理学家霍尔于1879年发现的一种物理现象，在固体物理学和电子学领域具有重要意义。
它描述了当电流通过一块具有垂直磁场的半导体或导体时，会在器件的侧边产生一种电势差，即霍尔电势，这个现象被称为霍尔效应。
1. 霍尔效应的基本原理霍尔效应的基本原理是基于洛仑兹力的作用。
当电流通过一个导体或半导体时，电子受到磁场力的作用，沿着磁场方向受到一个与电子运动方向垂直的洛仑兹力。
这个洛仑兹力将导致电荷在器件侧边聚集，产生电势差，即霍尔电势。
这样的电势差可以通过引入霍尔电压来测量。
2. 霍尔效应的应用霍尔效应在实际应用中有广泛的用途。
下面将介绍一些典型的应用领域：a. 传感器技术由于霍尔效应可以测量电流和磁场，因此被广泛应用于传感器技术中。
例如，霍尔传感器可以用于测量磁场强度，如地磁场、电机磁场等。
此外，霍尔传感器还可以用于测量电流，如电动车、电机和电力系统中的电流测量。
b. 磁学研究霍尔效应对磁学研究有很大的意义。
通过测量霍尔电势和磁场强度，可以确定材料的磁性。
这对于研究磁性材料的性质和应用潜力非常重要。
c. 半导体器件霍尔效应在半导体器件中也有广泛的应用。
例如，霍尔元件可以用于测量磁场方向和强度，作为指南针或磁力计使用。
此外，霍尔元件还可以用于检测旋转运动，如在电动机中用于测量转速。
3. 霍尔效应的优势和局限性尽管霍尔效应具有广泛的应用前景，但它仍然存在一些优势和局限性。
优势方面，首先是霍尔效应可以对非接触式测量进行电路隔离，这对于高电压和高频率应用非常重要。
其次，霍尔效应传感器具有高灵敏度和快速响应的特点，可以对微小的磁场和电流变化进行准确测量。
此外，霍尔传感器还具有低功耗和稳定性好的特点。
然而，霍尔效应也存在一些局限性。
首先是霍尔效应对温度的敏感性。
在高温环境下，霍尔效应传感器可能会产生较大的误差。
其次，霍尔效应在强磁场下可能会饱和，导致测量结果不准确。
此外，由于霍尔效应受到温度和材料等因素的影响，传感器的精度和可靠性也会受到一定的限制。
霍尔效应现象
霍尔效应现象霍尔效应现象是指在磁场中通过一块导体时，导体中的电子受到磁场力的作用而发生偏转，从而导致导体中出现电压差的现象。
这一现象被广泛应用于电子学中的磁场测量、电子器件中的电压调节等领域。
本文将从霍尔效应的基本原理、实验过程和应用领域三个方面介绍霍尔效应现象。
一、霍尔效应的基本原理霍尔效应是由美国物理学家爱德华·霍尔于1879年发现的。
他在实验中将一块导体置于磁场中，通过导体中的电流产生磁场，导致导体中的电子受到磁场力的作用而发生偏转。
当电子沿着导体一侧运动时，由于受到磁场力的作用，它们将偏转向另一侧，从而在导体的另一侧产生电压差。
具体来说，在磁场的作用下，导体中的电子将受到洛伦兹力的作用，即F=qv×B，其中q为电子电荷，v为电子速度，B为磁场强度。
这个力的方向垂直于电子的速度和磁场的方向，从而使得电子在导体中发生偏转。
假设导体的厚度为d，电子在导体中的漂移速度为v，电荷密度为n，则在导体的另一侧会产生一个电场E，其大小为：E = VH / d其中VH为霍尔电压，即导体中产生的电压差。
从式子中可以看出，电场的大小与霍尔电压成正比，与导体厚度和载流子密度成反比。
二、实验过程为了观察霍尔效应现象，可以采用如下实验装置：将一块导体置于磁场中，并通过导体中的电流产生磁场。
在导体的两侧分别接上电压计，可以测量出导体中产生的电压差。
实验中通常采用霍尔元件来进行测量，霍尔元件是一种特殊的半导体器件，它的结构如下图所示：霍尔元件由一块p型半导体和一块n型半导体组成，它们之间夹着一层绝缘体。
在霍尔元件中加上电压时，电流将通过n型半导体的外侧，然后穿过绝缘层，最后通过p型半导体的外侧。
在磁场的作用下，电子将发生偏转，从而在霍尔元件的两侧产生电压差。
通过测量这个电压差，可以计算出磁场的强度。
三、应用领域霍尔效应现象被广泛应用于电子学中的磁场测量、电子器件中的电压调节等领域。
其中最常见的应用是磁场测量。
霍尔效应
霍尔效应测磁场霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。
1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象，故称霍尔效应。
后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。
随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展，现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。
在电流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。
近年来，霍尔效应实验不断有新发现。
1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。
目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。
在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。
【实验目的】1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用2．测绘霍尔元件的V H—Is，了解霍尔电势差V H与霍尔元件工作电流Is、磁感应强度B之间的关系。
3．学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。
4．学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。
【实验原理】霍尔效应从本质上讲，是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。
当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场。
如图13-1所示，磁场B位于Z的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is（称为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材料），它沿着与电流Is相反的X负向运动。
由于洛仑兹力f L作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。
霍尔效应
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（A.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导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。
这个电势差也被称为霍尔电势差。
在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导体中的电子与空穴霍尔效应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，此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，此称为霍尔效应。
而产生的内建电压称为霍尔电压。
方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为a、b、d，磁场垂直ab平面。
电流经过ad，电流I = nqv(ad)，n为电荷密度。
设霍尔电压为VH，导体沿霍尔电压方向的电场为VH / a。
设磁场强度为B。
洛伦兹力f=qE+qvB/c(Gauss 单位制)电荷在横向受力为零时不在发生横向偏转，结果电流在磁场作用下在器件的两个侧面出现了稳定的异号电荷堆积从而形成横向霍尔电场E= - vB/c由实验可测出E= UH/W 定义霍尔电阻为RH= UH/I =EW/jW= E/jj = q n vRH=-vB/c /(qn v)=- B/(qnc)UH=RH I= -B I /(q n c)这部分大学物理有做过，我就觉得那时实验原理就已经讲解得很清楚了，大家可以回顾回顾【原理】１）霍耳效应图１９—１霍尔效应霍耳效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。
当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。
对于图１９—１所示的半导体试样，若在ｘ方向通以电流ＩS，在ｚ方向加磁场Ｂ，则在ｙ方向即试样Ａ、Ａ′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场。
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一、实验原理
如图，一矩形半导体薄片，当沿其 x 方向通有均匀电流 I，沿 Z 方向加有均 匀磁感应强度的磁场时，则在 y 方向上产生电势差。这种现象叫霍尔效应。所生 电势差用 VH 表示，成为霍尔电压，其相应的电场称为霍尔电场 Ey。实验表明，
在弱磁场下，Ey 同 J（电流密度）和 B 成正比
Ey = RH JB
B
VH VH1 VH2 VH3 VH4
斜率 RHB／d
（2）对于每个Bi，横坐标取工作电流IS，纵坐标取霍尔电压VH，理论上得到 一 条 通 过 坐 标 原 点 “ 0 ” 的 倾 斜 直 线 ， 计 算 其 斜 率 RHB ／ d ， 求 其 平 均 值
RH B
d
=
∑ RH B d
1
4
4
；根据己知的B和d（0.2mm），求得其霍尔系数RHi。
霍尔系数 RH =
样品电导率 σ H =
霍尔迁移率 μ H = RH σ H 但是通过电流的样品置于与之垂直的磁场中，在横向不仅产生霍尔电压，还产生 其它一些复效应，迭加霍尔电压上，可用取平均值的方法消除。
二、实验仪器设备：霍尔效应测试仪
1、励磁恒流源 IM ♦ 输出电流：0～1A，连续可调，调节精度可达 1nA。 ♦ 最大输出负载电压：24V。
2、霍尔元件工作恒流源 IS ♦ 输出电流：0～10mA，连续可调，调节精度可达 10μA。 3、直流数字毫伏表： ♦ 测量范围：±20mV，±20mV。
注意事项： 1、霍尔元件是易损元件，必须防止元件受压、挤、扭和碰撞。 2、实验前检查电磁铁和霍尔元件二维移动装置是否松动。 3、记录数据时，为了不使电磁铁过热，不能长时间闭合励磁电源的换向开关 4、仪器不宜在强光照射下、高温下或有腐蚀性气体的场合中使用，不宜在强 磁场中存放。 5、实验完毕，请务必切断电源，避免线圈过热造成仪器烧毁，否则后果自负。
∑ RH i
i =1 5
（3）计算五个工作点的霍尔系数平均值 RH = （4）根据 n =
5
。
IB 1 = 和己知载流子的电量 e，可求得载流子浓度 n。 VH de RH e
四、实验结果分析与思考题
已知：样品尺寸：L=4mm b=2mm d=0.2mm 思考题： 1．在霍尔系数测量中有哪些负效应？如何消除？ 负效应常有艾延豪森效应、能脱斯效应、里伦一勒杜克效应。消除负效应常 用改变磁场或电流方向的方法，对测量结果取平均值。 2．早期霍尔系数测量采用矩形薄片样品，要求电极是点接触，制作较困难， 采用什么形状样品，可克服以上困难？ 现常采用“桥式”样品，它允许大的电极接触面积。另外还有一种苜蓿叶形 样品，可大大降低对电极接触面积的限制，并可消除电流电极与霍耳电极之间的 短路效应，只要满足 I/R>0.5，电极便可制作得尽量大些，而对测量结果准确度霍尔系数具有十分重要的意义。根据霍尔系数的符号可以判断材 料的导电类型；根据霍尔系数及其与温度的关系，可以计算载流子的浓度， 以及载流子浓度同温度的关系，由此可确定材料的禁带宽度和杂质电离能；通过 霍尔系数和电阻率的联合测量．能够确定载载流子的迁移率；用微分霍尔效应法 可测纵向载流子浓度分布；测量低温霍尔效应可以确定杂质补偿度。霍尔效应是 半导体磁敏器件的物理基础。1980 年发现的整数量子霍尔效应和 1983 年发现的 分数量子霍尔效应对科技进步具有重大意义。 早期测量霍尔系数采用矩形薄片样品以及“桥式”样品。1958 年范德堡提出 对任意形状样品电阻率和霍尔系数的测量方法， 这是一种有实际意义的重要方法， 目前已被广泛采用。 本实验的目的使学生更深入地理解霍尔效应的原理，掌握霍尔系数、电导率 和迁移率的测试方法，确定样品的导电类型。
式中 RH 为比例系数，称为霍尔系数。 在不同的温度范围，RH 有不同的表达式。在本征电离完全可以忽略的杂质电 离区，且主要只有一种载流子的情况，当不考虑载流子速度的统计分布时，对空 穴浓度为 p 的 P 型样品
RH =
1 >0 pq
式中 q 为电子电量。对电子浓度为 n 的 N 型样品
RH = −
三、实验方法步骤
（1）对于电磁铁的磁化电流IM为定值（相应有一个确定的磁场B，参见仪器 上标签），取 10 种不同的工作电流 IS（0~10mA），测量相应的霍尔电压VH，共 测量 5 个工作点（Bi，i=1，2，3，4，5），具体如下： Bi + Bi IS + IS - IS - Bi + IS - IS
RH I X BZ bd
VH d I X BZ
1 <0 nq
霍尔电场 E =
霍尔系数 RH =
P 型样品霍尔系数为正，N 型样品霍尔系数为负。 以 P 型样品为例：X 方向 AB 端加电流，电压降
VAB = I AB RAB = I AB VH d I AB BZ I AB L VAB bd
L σ H bd