霍耳效應

霍耳效應（Hall effect），通有電流的金屬或半導體放置在與電流方向垂直的磁場中時，在垂直于電流和磁場方向上的兩個側(cè)面A、A′間產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象，1879年由E.H.霍耳首先發(fā)現(xiàn)。

霍耳效應可用載流子受洛倫茲力作用來解釋。當載流子帶正電時，所受洛倫茲力f使正電荷向A面偏轉(zhuǎn)，造成A、A′兩面上的電荷積累，從而形成電勢差，在體內(nèi)產(chǎn)生一橫向電場E，稱霍耳電場。若載流子帶負電，則霍耳電場反向。當載流子所受的霍耳電場力與洛倫茲力達到平衡時，載流子不再偏轉(zhuǎn)，霍耳電場具有恒定的值。霍耳電場E與電流密度j和磁感應強度B的乘積成正比，即E＝RjB比例系數(shù)R稱為霍耳系數(shù)。當只有一種載流子時，霍耳系數(shù)的大小與載流子的濃度成反比，其正負決定于載流子是帶正電還是帶負電。

金屬中的載流子是帶負電的電子，霍耳系數(shù)一般為負值（也有例外，需用能帶理論解釋）。N型半導體和P型半導體的載流子分別是電子和帶正電的空穴，所以霍耳系數(shù)分別為負值和正值。半導體中載流子的濃度與溫度有明顯的依賴關系，故其霍耳系數(shù)與溫度有關。因半導體中的載流子濃度比金屬中自由電子的濃度低，故半導體的霍耳系數(shù)比金屬的要大，霍耳效應也比金屬要明顯得多。電子（或空穴）的實際速度有一定分布，速度較小的電子所受洛倫茲力小于橫向電場力，速度較大的電子則相反，它們都要產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，這等效于電阻增大，這種由于存在磁場而使電阻增加的現(xiàn)象稱為磁阻效應。20世紀80年代發(fā)現(xiàn)，在強磁場作用下，隨著磁場的變化，半導體結(jié)的霍耳系數(shù)作階梯式變化，即，式中n為整數(shù)或有理分數(shù)，h為普朗克常數(shù)，e為電子電量，此現(xiàn)象稱為量子霍耳效應。

霍耳效應常用來鑒定半導體的導電類型，用半導體材料制成的霍耳元件已應用于許多技術領域，如測定磁場、電流強度和電功率；把直流電流轉(zhuǎn)換成交流電流或?qū)﹄娏鬟M行調(diào)制；把各種物理量轉(zhuǎn)換成電流信號后進行運算，等等。

利用霍耳效應制成的霍耳器件，如磁強計、安培計、瓦特計、磁羅盤等，可以測量各種物理量，如已知試件尺寸、磁場強度和電流，測量霍耳電動勢即可求得試件的載流子濃度，簡單迅速。利用霍耳效應還可測量磁場強度、幾千安培以上的大電流，制作使信號沿單一方向傳輸?shù)男D(zhuǎn)器、單向器和環(huán)行器等。制造霍耳器件的半導體材料主要是鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦等。用硅外延或離子注入方法制作的薄膜霍耳器件可以和集成電路工藝相容。將霍耳器件和差分放大器及其他電路做在一個硅片上，可縮小尺寸、提高靈敏度、減小失調(diào)電壓，便于大量生產(chǎn)。