霍尔效应 Hall Effect（霍尔效应测磁场实验报告）

 

1879年，埃德温·霍尔(Edwin Hall)设计了一个实验，可以用来识别导电材料中主要载流子的特征。从历史的角度来看，这个实验首次证明了大多数金属中的载流子是带负电荷的。

霍耳效应是一种非常重要的物理效应，可用于测量不同材料的磁场、载流子密度或霍耳系数。

霍尔效应定义

当载流导体I被置于横向磁场B中时，垂直于导体I和导体B的导体内就会感应出电场E。这种现象称为霍尔效应。

由于施加磁场而产生的电压或电场也称为霍尔电压或霍尔场。

什么是霍尔效应？

我们知道p型半导体和n型半导体是两种半导体。

在n型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。这意味着 n 型半导体中的大部分电流是由自由电子传导的。

在 p 型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。这意味着 p 型半导体中的大部分电流是由空穴传导的。

现在我们对 p 型和 n 型半导体有了一个概念。但是我们如何识别半导体是p型还是n型。

自由电子和空穴是非常小的粒子。所以我们不能用眼睛直接看到它们。但是通过使用霍尔效应，我们可以轻松识别半导体是 p 型还是 n 型。

当向导体或半导体施加电压时，电流流过它们。在导体中，电流由自由电子传导，而在半导体中，电流由自由电子和空穴共同传导。

半导体或导体中的自由电子总是试图沿直线路径流动。然而，由于与原子的连续碰撞，自由电子会稍微改变它们的方向。但如果施加的电压足够强，自由电子就会强制沿着直线路径前进。仅当没有其他方向的其他力施加到它时才会发生这种情况。

如果我们利用磁场向其他方向施加力，导体或半导体中的自由电子就会改变方向。

考虑一种材料，如下图所示的半导体或导体。当施加电压时，电流开始沿正 x 方向（从左到右）流动。

如果在垂直于电流流动方向（即 z 方向）的方向上向该载流导体或半导体施加磁场，则在其中产生电场，在负 y 方向（向下）施加力. 这种现象被称为霍尔效应。霍尔效应以美国物理学家埃德温·霍尔的名字命名，他于 1879 年发现了这一现象。

导体中的霍尔效应

材料中产生的电场将电荷载流子向下推。如果材料是导体，则电场将自由电子向下推（即负 y 方向）。结果，大量电荷载流子（自由电子）聚集在导体的底面。

由于底面负电荷（自由电子）的大量积累和上表面负电荷（自由电子）的缺乏，底面带负电，上表面带正电。

结果，在导体的上表面和下表面之间产生电势差。这种电位差称为霍尔电压。在导体中，由于带负电的自由电子产生电场。所以导体中产生的霍尔电压是负的。

N 型半导体中的霍尔效应

如果将磁场施加到 n 型半导体，则自由电子和空穴都被向下推向 n 型半导体的底面。由于在n型半导体中空穴可以忽略不计，所以自由电子主要聚集在n型半导体的底面。

这会在底面上产生负电荷，而在上表面上产生等量的正电荷。所以在n型半导体中，底面带负电，上表面带正电。

结果，在n型半导体的上表面和下表面之间产生了电位差。在n型半导体中，电场主要由带负电的自由电子产生。所以n型半导体产生的霍尔电压是负的。

p型半导体中的霍尔效应

如果对 p 型半导体施加磁场，则多数载流子（空穴）和少数载流子（自由电子）被向下推向 p 型半导体的底面。在 p 型半导体中，自由电子可以忽略不计。空穴主要聚集在p型半导体的底面。

所以在p型半导体中，底面带正电，上表面带负电。

结果，在p型半导体的上表面和下表面之间产生了电位差。在 p 型半导体中，电场主要由带正电的空穴产生。所以 p 型半导体产生的霍尔电压是正的。这导致产生的电场具有正 y 方向的方向这一事实。

霍尔效应帮助确定材料的类型

我们可以通过霍尔效应轻松识别半导体是 p 型还是 n 型。如果产生的电压为正，则称该材料为 p 型，如果产生的电压为负，则称该材料为 n 型。

霍尔电压与流过材料的电流、磁场强度成正比，与材料中的移动电荷数、材料厚度成反比。因此，为了产生较大的霍尔电压，我们需要使用每单位体积具有很少移动电荷的薄材料。

霍尔电压的数学表达式由下式给出

其中：

V H = 霍尔电压

I = 流过材料的电流

B = 磁场强度

q = 电荷

n = 每单位体积的移动电荷载流子数量

d = 材料厚度 霍尔效应的应用用于确定半导体是 N 型还是 P 型。用于找到载流子浓度。用于计算电荷载流子（自由电子和空穴）的迁移率。用于测量电导率。用于测量交流功率和磁场强度。