霍尔效应
霍尔效应高考知识点总结
霍尔效应高考知识点总结霍尔效应是近几年高考中的一个重要知识点，涉及到电磁感应和导电材料的相关原理和应用。
本文将对霍尔效应进行总结和归纳，帮助学生更好地理解和掌握这一知识点。
1. 霍尔效应的基本原理霍尔效应是指当导电材料中有电流通过时，垂直于电流方向的方向上会产生一定的电势差。
这种现象是由磁场对电子的偏转效应引起的。
当电子在导体中运动时，磁场施加的力使得电子受到侧向偏转，导致电子在一个方向上聚集，产生电势差。
2. 霍尔效应的公式和参数霍尔效应可以通过一个简单的公式来描述：VH = B × I × RH。
其中VH表示霍尔电压，B表示磁场的强度，I表示电流的大小，RH表示霍尔系数。
霍尔系数是一个与导体特性相关的参数，通过测量霍尔电压和磁场以及电流的值可以计算出来。
3. 霍尔效应的应用霍尔效应在实际中有着广泛的应用。
其中最常见的是磁场传感器的应用。
磁场传感器通过测量霍尔电压的变化来检测磁场的强度和方向。
这种传感器在自动控制、磁力计、电流测量等领域都得到了广泛的应用。
4. 良导体和劣导体中的霍尔效应差异在不同的导体中，霍尔效应呈现出不同的特点。
在良导体中，电子的运动能力较强，电流通过后霍尔电压较大；而在劣导体中，电子的运动能力较差，电流通过后霍尔电压较小。
这是因为良导体中自由电子的浓度较高，受到磁场作用后偏转偏大；而劣导体中自由电子的浓度较低，受到磁场作用后偏转偏小。
5. 霍尔效应的探究与实验学生在学习和掌握霍尔效应时，可以通过一些简单的实验来加深理解。
例如，可以利用霍尔效应进行磁场的测量，通过改变电流大小和磁场强度，观察霍尔电压的变化规律。
还可以探究不同材料的导电性质对霍尔效应的影响，比较不同材料产生的霍尔电压的差异。
6. 霍尔效应在电子设备中的应用霍尔效应在电子设备中有着广泛的应用。
例如，在手机和平板电脑里的磁场传感器，可以通过测量霍尔电压的变化来检测屏幕是否翻盖。
在电动车和电磁炉中，也用到了霍尔效应来检测电流的大小和方向，对设备的安全性和控制起到了重要作用。
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。
半导体物理基础霍尔效应
离子注入造成的杂质浓度分布曲线一般如下：
浓 度
深度
深度
特点：①杂质浓度最高处位于体内； ②在注入后一般要采取加热圆片（退火）的方法， 来消除损伤和激活注入杂质
离子注入工艺示意图：
衬底
生长外延层 制作掩膜 刻蚀 离子注入掺杂
【实验】
磁场对运动电荷有力的作用——这个力叫洛仑兹力。
【推理与猜想】 磁场对电流有安培力的作用，而电流是由电荷定向运动
扩散工艺所得杂质分布总是表面浓度高、体内浓度低，而 且对扩散系数太低的杂质难于得到要求的杂质浓度。离子 注入工艺可以很好的解决以上问题。
离子注入工艺原理：
在真空中，由高压使杂质离子加速，射向硅表面，加速后 的离子动能很高，能够进入硅中实现掺杂。
离子注入工艺掺杂后其杂质分布特点：
在离开表面一定距离处杂质浓度最高，在其附近呈高斯分 布。如下页图：
• 扩散的方法（扩散工艺）
• 离子注入法
扩 散 工 艺
在物理中我们学过，由于分子热运动和浓度差，在气体、 液体和固体中，都会产生扩散现象。扩散现象在气体和液 体中尤其明显。
那么在硅片中进行掺杂的原理和上面基本一样，可以简单 的画图描述一下，见黑板
扩散工艺造成的杂质浓度分布曲线一般如下：
浓 度 体浓度
形成的。所以磁场对电流的安培力可能是磁场对运动电荷的
作用力的宏观表现。即： 1.安培力是洛伦兹力的宏观表现．
2.洛伦兹力是安培力的微观本质。
一.洛伦兹力的方向
洛伦兹力的方向符合左手定则： ——伸开左手，使大拇指跟其余四指垂直，且处于同一平 面内，把手放入磁场中，磁感线垂直穿过手心，四指指向 正电荷运动的方向(即电流方向)，那么，拇指所指的方向 就是正电荷所受洛伦兹力的方向． 若是负电荷运动的方向，那么四指应指向其反方向。
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
量子霍尔效应实际上给处在微观世界的 电子订了一个 “交通规则”：电子在这 种强磁场中，只能沿着边缘的一维通道 中走。本来这是一个导体，加上一个很 强的磁场后，这个材料的绝大部分变成 绝缘的，电子只能在边缘沿着一个个通 道运动，而且只能做单向运动，不能返 回。
霍尔传感一种磁场传感器。 霍尔效应是磁电效应的一种 实验测定的霍尔，通过器是 根据霍尔效应制作的霍尔效 。 应系数，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。
霍尔器件具有许多 优点，它们的结构 牢固，体积小，重 量轻，寿命长，安 装方便，功耗小， 频率高（可达 1MHZ），耐震动， 不怕灰尘、油污、 水汽及盐雾等的污 染或腐蚀。
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 Nhomakorabea。
利用霍尔传感器对浮子位移进行检测的 基本原理以及霍尔传感器输出信号处理 系统的基本构成和功能，分析了这种新 型金属管转子流量计的主要特点。实际 测量表明:该流量计具有准确度高、可靠 性高、结构简单、智能化等特点。
霍尔效应
一· 定义及解释
二· 在生活和生产方面的应用 三· 科技及前景
• 在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导体中的电 子与电洞受到不同方向的洛伦兹力而往不同方向上聚集， 定义：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，这一现象便是霍尔效应 • 在聚集起来的电子与电洞之间会产生电场，此一电场将会 使后来的电子电洞受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦 兹力，使得后来的电子电洞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。
名词解释霍尔效应
名词解释霍尔效应
霍尔效应(霍尔效应)是一种量子效应,涉及到电子在磁场中的运动。
当电子在磁场中受到一个电场的作用时,它们会受到洛伦兹力,从而改变它们的运动状态。
这种改变可以导致电子的霍尔系数(霍尔系数)发生变化,从而指示电子在磁场中的运动方向和速度。
霍尔效应最初被发现是在20世纪50年代。
当时,研究人员发现,如果将一个霍尔传感器放置在一个磁场中,它可以通过检测电子的霍尔系数来测量磁场强度。
这种技术被广泛应用于各种电子设备中,例如磁共振成像设备、硬盘驱动器和传感器等。
霍尔效应的应用范围非常广泛,但它也有一些限制。
例如,在强磁场中,霍尔传感器可能会受到损坏。
此外,霍尔系数也受到温度和湿度等因素的影响,因此需要对它们进行校准。
除了用于测量磁场外,霍尔效应还可以用于控制电流。
例如,可以使用霍尔传感器来检测电流的方向,从而控制电路中的电流。
霍尔效应技术还被应用于许多其他领域,例如量子计算、量子存储和量子通信等。
霍尔效应是一个非常重要的量子效应,它的应用将推动计算机科学和技术的发展。
随着技术的不断发展,霍尔效应的应用前景将越来越广阔。
霍尔效应
霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。
正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。
平行电场和电流强度之比就是电阻率。
大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。
霍尔效应在应用技术中特别重要。
霍尔发现，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(Iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。
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。
讫今为止，已在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。
例如汽车点火系统，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。
用作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。
霍尔效应
霍尔效应一、简介霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall ，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，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。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
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。
流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。
二、理论知识1． 1． 霍尔效应将一块半导体或导体材料，沿Z 方向加以磁场B，沿X 方向通以工作电流I ，则在Y 方向产生出电动势H V ，如图1所示，这现象称为霍尔效应。
H V 称为霍尔电压。
(a) (b)图1 霍尔效应原理图实验表明，在磁场不太强时，电位差H V 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d IB R V HH =(1)或 IB K V H H =(2)式（1）中H R 称为霍尔系数，式（2）中H K 称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mA ·T)。
产生霍尔效应的原因是形成电流的作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）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。
如图1（a ）所示，一快长为l 、宽为b 、厚为d 的N 型单晶薄片，置于沿Z 轴方向的磁场B中，在X 轴方向通以电流I ，则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为j eVB B V e B V q F m -=⨯-=⨯=(3)式中V为电子的漂移运动速度，其方向沿X 轴的负方向。
e 为电子的电荷量。
m F 指向Y轴的负方向。
自由电子受力偏转的结果，向A 侧面积聚，同时在B 侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y 轴负方向上的横向电场H E （即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y 轴正方向的电场力e F，A 、B 面之间的电位差为H V （即霍尔电压），则 jb V e j eE E e E q F H H H H e ==-==(4)将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有0=+e m F F=+-j b V e j eVB H即b V eeVB H= 得 VBb V H =(5)此时B 端电位高于A 端电位。
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由实验室给出: B =400 mT d=0.2mm
（2）调节Ｒ2使工作电流从2ｍＡ依次增加至 10ｍＡ，分别测出相应的霍尔电压，将数据填人
表格１中。
由换向开关K4改变ＩH的方向,重复步骤2.
由换向开关Ｋ5改变B的方向,重复步骤2.
励磁电流I=700mA, B =400 mT
f
B
evB
若在Z轴方向加上恒定磁场B，沿负X轴
方向运动的电子就受到洛伦兹力
（２）
fB的方向指向负Y轴，于是，霍耳元件内部的 电子聚积在下方平面。
随着电子向下偏移，上方平面剩余正电荷， 形成Y轴负向的霍耳电压，上下两个平面间具有 电势差VH
静电作用力fH与洛仑兹力fB大小相等时,有
e VH b
evB
实 验目的 Experimental purpose
1.了解产生霍耳效应的机制。 2. 学会用霍耳元件测量磁场及其分布的基本方法。 3. 学会用霍耳效应仪测量霍耳元件的al principle
1.霍耳效应 Hall effect 运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹
【思考题】 1. 什么叫霍尔效应？什么叫霍尔电势差？
什么叫霍尔系数？ 2. 为什么霍尔效应在半导体材料中特别显著？
怎样判别半导体材料的导电类型？
3. 怎样用电位差计来测量霍尔电势差ＶH ？
如何消除热磁效应对测量结果的影响？ 4. 如何确定电磁铁气隙内的磁场分布？ 5. 如何求得霍尔元件的霍尔系数？
IH（mA） 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
V1（＋I，＋B） V2（－I，＋B） V3（－I，－B） V4（＋I，－B）
平均值VH
注意：实验过程中，励磁电流回路最大电流为1A， 工作电流回路电流为10mA，两者相差100倍，因 此必须正确连线，严禁将两个回路接反，产生危
1. 将被测电压接在输入输出端子上（注意极性）。
２.打开电源 当仪器用电池供电时，只需打开面板上的电源开 关；当仪器使用市电供电时，要同时打开仪器后 面的交流开关和面板上的电源开关。
３.mV／C0按键处于抬起状态。
４.将功能转换开关置于“调零”位置，按动↑键3 秒，即可完成调零工作。
５. 测量 将功能转换开关置于“测量”位置，即能通过面 板上的输入输出端钮对外部电压信号进行测量。 既从面板的数字屏幕读取所测电压值，可显示正 负电压值．
Chapter 4 Advanced physics experiment
实验十七 霍尔效应实验
Experiment 17 Hall effect experiment
大连民族学院大学物理实验中心
1879年霍耳在研究载流导体在磁场中受力的 性质时发现了霍耳效应，它是电磁场的基本现象 之一。利用这种现象可以制成各种霍耳器件，特 别是测量器件（测量磁场的特斯拉计） ，现在已 广泛地应用在工业自动化和电子技术中。这种效 应对金属导体并不明显，而对半导体却非常明显 . 演示动画。
再利用式（1）得到
IB
IB
VH bvB end RH d K H IB
（3）
式中ＲH=1/en,称为半导体材料的霍尔系数，
KH =1/end叫做它的灵敏度。当工作电流和磁感应 强度一定时 KH的数值越大，霍耳电压越高。
如果已知霍耳片的灵敏度KH ，只需测出工作电 流I和霍耳电压就可求得B。I的单位一般取为mV，
（2）霍尔元件工作电流回路可控制ＩH的大小和
方向。由直流稳压电流Ｅ2<5V，滑线变阻器Ｒ2， 换向开关K4，毫安表15ｍA及霍尔元件电 流引线组成。
（3）霍尔电压测试回路 可测量ＶH的大小和符
号。由换向开关Ｋ5，直流电位差计Ｐ及霍尔元 件电压引线组成。
2. 测量霍尔元件的灵敏度及霍尔系数
（1）将霍尔元件置于磁场最强的位置即磁场的中
２. 电磁铁
根据电源变压器使用带状铁芯具有体积小和电 磁性能高的特点，采用冷轧电工钢带制成，线圈 用高强度漆色线多层密绕，层间绝缘，导线的绕 向即励磁电流的方向已标明在线圈上，由此可确 定磁场的方向。线圈的两端引线已接到仪器的换 向开关上。
３. 换向开关
UJ33D型数字直流电位差计的使用方法：
UJ33d数字式直流电位差计测量电压的使用方法：
说明：测量时，仪器的数字显示能根据被测电压 的大小，在78mV、625mV、2.5V三个量程上自 动转换，自动使仪器工作在最佳量程，以保证实 现较高的精度.
LM1718A双路直流稳压电源
【实验步骤 Experimental step 】 1. 按图2联接电路，它有三个独立回路。
（1）电磁铁线圈供电回路 可控制的大小和方向。 由直流稳压电源Ｅ1<15V，滑线变阻器Ｒ1，换向 开关K2，直流安培表Ａ(1000mA)及电磁线圈组成。
VH>> VE
VH
V1 V2
V3 4
V4
实验仪器Experimental device
HＬ—４型霍尔效应仪、直流稳压电源、安培 表、滑线变阻器、电位差计等。
仪器介绍Instrument introduction
HL—4型霍尔效应仪 是由霍尔元件，电磁铁及换向开关等组成。
E1、E2—直流稳压电源、A—直流安培表、 mA—毫安表、H—霍耳元件、 T—电磁铁、 R1、R2—滑线电阻器,K2、K4、K5—换向开关
１. 霍尔元件
霍尔元件是由ｎ型半导体材料制成。元件尺 寸为4mm×2mm×0.2mm，元件胶合在白色的绝 缘衬板上，有四条引出线，其中两条为工作电流 极（M、N），两条绿色导线为霍尔电压输出极 （P、S），同时将这四条引线焊接在玻璃丝布板 上，然后引到仪器换向开关上，并以P、S 、M、 N表示。工作电流用稳压电源供电，适当减小工 作电流，以减小热磁效应引起的误差，最大电流 为15.0mA。
工作电流的单位取为mA，磁感应强度单位为T
（特斯拉）， KH的单位即为。
B UH KH I
mV /(mAT )
2. 霍耳效应的误差来源及消除热磁效应附加电势差
(1)爱廷豪森效应VE;(2)能斯脱效应VN;(3)里季一勒杜克效应VRL (4)不等势电势效应V0 采用对称测量法消除可以消除副效应，即分别测量四组不同方向的
力作用而引起偏转就是霍耳效应的实质。
如图１所示:
霍耳元件是由ｎ型半导体材料制成的。其
长为l、宽为ｂ、厚度为ｄ。如果在M、N两端 按图所示加一恒定电流I（沿X轴方向通过霍耳 元件）。并假定电流I是沿X轴负方向以速度运 动的电子构成，电子的电量为-e，自由电子的 浓度为n，
则根据电流强度
的定义，电流I可表示为： I envbd (1)
I和B组合的VH，然后求平均。
(+B，+I ) (+ B，-I ) (-B，-I ) (-B，+I )
V1= VH+V0+VE+VN+VRL V2=-VH-V0-VE+VN+VRL V3=VH-V0+VE-VN-VRL V4=-VH+V0-VE-VN-VRL
VH = ( V1 - V2 + V3 - V4 ) /4 - VE
险和造成不必要的损失！
（3）根据表格１求出ＶH值。再在坐标纸上画出
ＩH (x)～ＶH(y) 图线。
（4）在图线上取两点M1（IH1 ，VH1）与M2（IH2 ，
。
VH2），求出该图线的斜率K=
VH 2 VH 1 IH 2IH1
（5）由ＶH = KHＩＢ =ＫＩ，求出霍尔灵敏度 ＫH ，从而求出霍尔系数ＲH 。