霍尔效应
霍尔效应
霍尔效应[1]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。
这个电势差也被叫做霍尔电势差。
霍尔效应的原理导体中的电荷在电场作用下沿电流方向运动，由于存在垂直于电流方向的磁场，电荷受到洛伦兹力，产生偏转，偏转的方向垂直于电流方向和磁场方向，而且正电荷和负电荷偏转的方向相反，这样就产生了电势差。
补充上面的人：正电荷与负电荷偏转的方向是相同的，只是因为导体中导电的是电子，所以只有电子偏转，才会有在两面有电压。
在半导体中，有两种载流子（空穴与自由电子），而它们的偏转方向是相同的，产生的电压也只是多数载流子与少数载流子之差，即表现了多数载流子的效果。
正是因为这样，所以才能利用霍尔效应来判断N、P型半导体。
上面作补充这位：正负电荷的偏转方向是相同的，你从哪里听说的呢？另外，导体能够导电，是导体中的电子在外电场作用下作定向运动的结果，但一般并不会说来固体导电就是全靠电子，因为在原子的能带结构里面，在价带中（导体的价带是半满带）电子可以在外电场的作用下作定向运动，而因为导体的价带中电子是半满的，所以才不分少子和多子，也就是大家习惯说的“导体中导电的是电子”。
但是对于半导体甚至绝缘体，在价带是满带，也就是全被电子所占据，在一定的条件先，价带中的电子跃迁到导带中，成为自由电子，而在价带中留下一些“空洞”，这些“空洞”我们习惯成“空穴”（也就是大家平常说的“正电子”，它带正电），但实质上，是没有空穴这种东西的，只不过是在半导体中，为了简单化的描述它的一些特性或原理，大家喜欢用数量小的东西去描述，以简单化，才出来“空穴”这个东西。
但话说回来，如果从最最本质的导电原理来说，确实导电都是电子做定向运动的结果，但我们一般不会这么说。
但是你说两种载流子的偏转方向相同，这肯定不对，他们一个带正电，一个负电，受到的力的作用刚好相反。
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
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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)、
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。
霍尔效应
1-输入轴；2-转盘； 3-小磁铁；4-霍尔传感器
实验内容
实验任务
——利用霍尔效应测量螺线管内轴线上磁感应强度的分布.
完成这一实验任务，必须做以下工作：
仪器调节(将仪器调节到标准工作状态). 仪器标定(确定霍尔电压与磁感应强度的关系). 测量通电螺线管内轴线上磁感应强度的分布.
关键提示
Ｕ0＝Ｉx·R0
U0的方向只与Ix的方向有关。
霍尔效应中负效应的消除
埃廷斯豪森效应
能斯特效应 里吉-勒迪克效应 不等位效应
ＵE 方向与I和Ｂ方向有关。
ＵN方向只与Ｂ方向有关。 ＵRL的方向只与Ｂ的方向有关 U0的方向只与I的方向有关。
负效应的消除：改变I和B的方向，即对称测量法。
+B,+I, 测得电压U1=UH+UE+UN+URL+U0
109.45
109.85 110.10 110.40 110.40 110.20 110.25 110.15 109.80
3.59
3.60 3.61 3.62 3.62 3.61 3.61 3.61 3.60
实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定
(续表2)
X/cm
23.00 24.00 24.50 25.00 25.50 26.00 26.50 27.00 27.50 298年的诺贝尔物理学奖
实验原理
现象 —— 霍尔效应
在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁 场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这 种现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电压。
理论分析 磁场中运动载流子受洛伦兹力作用
UH
电荷聚集形成电场 电场力与洛伦兹力 达到平衡，形成稳 定电压UH
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3．换向开关
仪器装有三个换向开关，可很方便地改变IS、B的方向。
霍尔效应
目的：1、了解产生霍尔效应的机制；
2、学会“对称测量法”消除负效应的方法
3、测量霍尔效应的灵敏度
仪器：TH-H型霍尔效应实验仪
TH-H型霍耳效应实验测试仪。
原理：（一）霍尔效应
将半导体薄片放在磁场中，
沿Z轴正方向。当电流Is沿
X轴方向，薄片中的载流子定向
移动，若载流子是电子（-q）,
如右图，则电子在磁场中受磁场
然后求 、 、 、 的代数和的平均值，即 ，这样基本上可以消除各种付效应的影响。
步骤：
1.将测试仪面板上的“IS输出”、“IM输出”和“VH输入”三对接线柱分别与实验仪上的三对相应的接线柱连接好，开机前将IS、IM调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小状态。测量前将实验仪上的三个换向开关断开。
2．直流数字电压表
电压表零位可通过调零电位器进行调整。当显示器的数字前出现“-”号时，表示被测电压极性为负值。
三、TH-H型霍耳效应实验仪
1．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，采用冷轧点工钢带制成，导线的绕向已标在线圈上，可确定磁场的方向。线圈的两端引线已连接到仪器的换向开关上，便于实验操作。
附录
一、实验中产生的副效应及其消除方法
实际测量时所测得的电压不只是VH，还包括其他因素带来的附加电压。下面首先分析其产生的原因及特点，然后探讨其消除方法。
1．不等势电压
由横向电极位置不对称而产生的电压降V0，它与外磁场B无关，仅与工作电流IS的方向有关。
2．爱廷豪森效应
从微观来看，当霍耳电压达到一个稳定值VH时，速度为v的载流子的运动达到动态平衡。但从统计的观点看，元件中速度大于v和小于v的载流子也有。因速度大的载流子所受的洛仑兹力大于电场力，而速度小的载流子所受的洛仑兹力小于电场力，因而速度大的载流子会聚集在元件的一侧，而速度小的载流子聚集在另一侧，又因速度大的载流子的能量大，所以有快速粒子聚集的一侧温度高于另一侧。这种由于温差而产生电压的现象称为爱廷豪森效应。该电压用VE表示，它不仅与外磁场B有关，还与电流IS有关。
因此，在确定磁场B和工作电流IS的条件下，实际测量的电压包括VH，V0，VE，VN，VRL5个电压的代数和。测量时可用改变IS和B的方向的方法，抵消某些因素的影响。例如测量时首先任取某一方向的IS和B为正，用IS+、B+表示，当改变它们的方向时为负，用IS-、B-表示，保持IS、B的数值不变，取（IS+，B+）、（IS-、B+）、（IS+、B-）、（IS-，B-）四种条件进行测量，测量结果分别为：
力 而向下移动，这样半导体薄片上、下底面积存有正负电荷，从而建立一电场 。这样载流子又受到电场力 的作用，方向向上。达到平衡时， （ 为霍尔电场）。
即：
上下底面的电位差 （霍尔电位差）： （1）
同样，若载流子是空穴（+q），则：
若载流子浓度为n，试样厚度为d，则 （2）
（2）代入（1）中得， ，其中： ，
2.将霍耳元件调至电磁铁空隙内的中心位置附近，将K1、K2、K3电键均倒向下方接通电路（此时为“+”）。
变。
4.按起“测量选择”按钮，将工作电流IS依次取为：1.00mA、2.00mA、3.00mA、4.00mA、5.00mA，构成（+B,+IS），（-B,+IS），（-B,-IS）（+B,-IS）四种情况，将测得的 填入自拟的表格中，求取霍尔电压
5.根据电磁铁仪器上所标注的值，求出磁感应强度B的大小。
6.由公式 计算霍尔元件的灵敏度，并进行数据误差处理。
数据记录表格：IM=0.300A,B= KGS/A×0.300A= KGS
(mA)
(mV)
(mV)
(mV)
(mV)
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
注意事项
1.霍耳元件轻脆易坏，要注意保护,严防撞击或用手触摸。
称为霍耳灵敏度，对一定的霍耳元件是一个常数。它的大小与材料的性质以及元件的尺寸有关，它表示霍耳元件在单位磁感应强度和单位控制电流强度下的霍耳电压的大小。
（二）对称测量法—消除各种付效应的影响
在产生霍尔效应的同时，还产生各种付效应（不等位电势、温差电动势—爱廷豪森效应、能斯脱效应、里记—勒杜克效应等）为了消除这些付效应的电势，可采用对称测量法，方法是改变B和Is的方向。
2.霍耳元件的工作电流引线与霍耳电压引线不能搞错；霍耳元件的工作电流和螺线管的励磁电流要分清，否则会烧坏霍耳元件。
3.记录数据时，为了不使电磁铁过热，应断开励磁电流的换向开关。
问题讨论
1.若磁场与霍耳元件不垂直，能否准确测出磁场？
2.用本实验装置能否测量霍耳系数RH？
3.怎样减小或消除实验中附加电压所产生的影响？
V1= VH+V0+VE+VN+VRL
V2=-VH-V0-VE+VN+VRL
V3=-VH+V0-VE-VN-VRL
V4=VH-V0+VE-VN-VRL
从上述结果中消去V0，VN和VRL，得到
VH= （V1-V2-V3+V4）-VE
一般地VE比VH小得多，在误差范围内可以忽略不计。
二.TH-H型霍耳效应实验测试仪简介
3．能斯脱效应
在元件上接出引线时，不可能做到接触电阻完全相同。当电流IS通过不同接触电阻时会产生不同的焦耳热，并因温差产生一个附加电压VN，这就是能斯脱效应。它与电流IS无关，只与外磁场B有关。
4．里记-勒杜克效应
由能斯脱效应产生的电流也有爱廷豪森效应，由此而产生附加电压VRL，称为里记-勒杜克效应。VRL与IS无关，只与外磁场B有关。
测试仪面板图如图20-2所示，由两组恒流源和直流数字电压表组成。
1．两组恒流源
“IS输出”为0～10mA元件工作电流源，“IM输出”为0～1A励磁电流源。两组电流源彼此独立，两路输出电流大小通过IS调节旋钮及IM调节旋钮进行调节，均为连续可调。其值可通过“测量选择”按键由同一数字电流表进行测量，按键测IM，放键测IS。
2．霍耳元件
实验中使用的霍耳元件是由N型硅单晶经过硅平面工艺制成的磁电转换元件，尺寸为4×2×0.2mm，元件胶合在白色绝缘衬板上，有四条引线，其中两条红色导线为工作电流极（4和3），两条绿色导线为霍耳电压输出极（2和1）。同时将这四条导线焊接在玻璃丝布板上，并引到仪器换向开关上，用1、2、3、4表示。