霍耳效应

霍耳效应（Hall effect），通有电流的金属或半导体放置在与电流方向垂直的磁场中时，在垂直于电流和磁场方向上的两个侧面A、A′间产生电势差的现象，1879年由E.H.霍耳首先发现。

霍耳效应可用载流子受洛伦兹力作用来解释。当载流子带正电时，所受洛伦兹力f使正电荷向A面偏转，造成A、A′两面上的电荷积累，从而形成电势差，在体内产生一横向电场E，称霍耳电场。若载流子带负电，则霍耳电场反向。当载流子所受的霍耳电场力与洛伦兹力达到平衡时，载流子不再偏转，霍耳电场具有恒定的值。霍耳电场E与电流密度j和磁感应强度B的乘积成正比，即E＝RjB比例系数R称为霍耳系数。当只有一种载流子时，霍耳系数的大小与载流子的浓度成反比，其正负决定于载流子是带正电还是带负电。

金属中的载流子是带负电的电子，霍耳系数一般为负值（也有例外，需用能带理论解释）。N型半导体和P型半导体的载流子分别是电子和带正电的空穴，所以霍耳系数分别为负值和正值。半导体中载流子的浓度与温度有明显的依赖关系，故其霍耳系数与温度有关。因半导体中的载流子浓度比金属中自由电子的浓度低，故半导体的霍耳系数比金属的要大，霍耳效应也比金属要明显得多。电子（或空穴）的实际速度有一定分布，速度较小的电子所受洛伦兹力小于横向电场力，速度较大的电子则相反，它们都要产生偏转，这等效于电阻增大，这种由于存在磁场而使电阻增加的现象称为磁阻效应。20世纪80年代发现，在强磁场作用下，随着磁场的变化，半导体结的霍耳系数作阶梯式变化，即，式中n为整数或有理分数，h为普朗克常数，e为电子电量，此现象称为量子霍耳效应。

霍耳效应常用来鉴定半导体的导电类型，用半导体材料制成的霍耳元件已应用于许多技术领域，如测定磁场、电流强度和电功率；把直流电流转换成交流电流或对电流进行调制；把各种物理量转换成电流信号后进行运算，等等。

利用霍耳效应制成的霍耳器件，如磁强计、安培计、瓦特计、磁罗盘等，可以测量各种物理量，如已知试件尺寸、磁场强度和电流，测量霍耳电动势即可求得试件的载流子浓度，简单迅速。利用霍耳效应还可测量磁场强度、几千安培以上的大电流，制作使信号沿单一方向传输的旋转器、单向器和环行器等。制造霍耳器件的半导体材料主要是锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟等。用硅外延或离子注入方法制作的薄膜霍耳器件可以和集成电路工艺相容。将霍耳器件和差分放大器及其他电路做在一个硅片上，可缩小尺寸、提高灵敏度、减小失调电压，便于大量生产。