1879年，埃德溫·霍爾(Edwin Hall)設計了一個實驗，可以用來識別導電材料中主要載流子的特徵。從歷史的角度來看，這個實驗首次證明了大多數金屬中的載流子是帶負電荷的。
霍耳效應是一種非常重要的物理效應，可用於測量不同材料的磁場、載流子密度或霍耳係數。
霍爾效應定義
當載流導體I被置於橫向磁場B中時，垂直於導體I和導體B的導體內就會感應出電場E。這種現象稱為霍爾效應。
由於施加磁場而產生的電壓或電場也稱為霍爾電壓或霍爾場。
什麼是霍爾效應？
我們知道p型半導體和n型半導體是兩種半導體。
在n型半導體中，自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。這意味著 n 型半導體中的大部分電流是由自由電子傳導的。
在 p 型半導體中，空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。這意味著 p 型半導體中的大部分電流是由空穴傳導的。
現在我們對 p 型和 n 型半導體有了一個概念。但是我們如何識別半導體是p型還是n型。
自由電子和空穴是非常小的粒子。所以我們不能用眼睛直接看到它們。但是透過使用霍爾效應，我們可以輕鬆識別半導體是 p 型還是 n 型。
當嚮導體或半導體施加電壓時，電流流過它們。在導體中，電流由自由電子傳導，而在半導體中，電流由自由電子和空穴共同傳導。
半導體或導體中的自由電子總是試圖沿直線路徑流動。然而，由於與原子的連續碰撞，自由電子會稍微改變它們的方向。但如果施加的電壓足夠強，自由電子就會強制沿著直線路徑前進。僅當沒有其他方向的其他力施加到它時才會發生這種情況。
如果我們利用磁場向其他方向施加力，導體或半導體中的自由電子就會改變方向。
考慮一種材料，如下圖所示的半導體或導體。當施加電壓時，電流開始沿正 x 方向（從左到右）流動。
如果在垂直於電流流動方向（即 z 方向）的方向上向該載流導體或半導體施加磁場，則在其中產生電場，在負 y 方向（向下）施加力. 這種現象被稱為霍爾效應。霍爾效應以美國物理學家埃德溫·霍爾的名字命名，他於 1879 年發現了這一現象。
導體中的霍爾效應
材料中產生的電場將電荷載流子向下推。如果材料是導體，則電場將自由電子向下推（即負 y 方向）。結果，大量電荷載流子（自由電子）聚集在導體的底面。
由於底面負電荷（自由電子）的大量積累和上表面負電荷（自由電子）的缺乏，底面帶負電，上表面帶正電。
結果，在導體的上表面和下表面之間產生電勢差。這種電位差稱為霍爾電壓。在導體中，由於帶負電的自由電子產生電場。所以導體中產生的霍爾電壓是負的。
N 型半導體中的霍爾效應
如果將磁場施加到 n 型半導體，則自由電子和空穴都被向下推向 n 型半導體的底面。由於在n型半導體中空穴可以忽略不計，所以自由電子主要聚集在n型半導體的底面。
這會在底面上產生負電荷，而在上表面上產生等量的正電荷。所以在n型半導體中，底面帶負電，上表面帶正電。
結果，在n型半導體的上表面和下表面之間產生了電位差。在n型半導體中，電場主要由帶負電的自由電子產生。所以n型半導體產生的霍爾電壓是負的。
p型半導體中的霍爾效應
如果對 p 型半導體施加磁場，則多數載流子（空穴）和少數載流子（自由電子）被向下推向 p 型半導體的底面。在 p 型半導體中，自由電子可以忽略不計。空穴主要聚集在p型半導體的底面。
所以在p型半導體中，底面帶正電，上表面帶負電。
結果，在p型半導體的上表面和下表面之間產生了電位差。在 p 型半導體中，電場主要由帶正電的空穴產生。所以 p 型半導體產生的霍爾電壓是正的。這導致產生的電場具有正 y 方向的方向這一事實。
霍爾效應幫助確定材料的型別
我們可以透過霍爾效應輕鬆識別半導體是 p 型還是 n 型。如果產生的電壓為正，則稱該材料為 p 型，如果產生的電壓為負，則稱該材料為 n 型。
霍爾電壓與流過材料的電流、磁場強度成正比，與材料中的移動電荷數、材料厚度成反比。因此，為了產生較大的霍爾電壓，我們需要使用每單位體積具有很少移動電荷的薄材料。
霍爾電壓的數學表示式由下式給出
其中：
V H = 霍爾電壓
I = 流過材料的電流
B = 磁場強度
q = 電荷
n = 每單位體積的移動電荷載流子數量
d = 材料厚度
霍爾效應的應用
- 用於確定半導體是 N 型還是 P 型。
- 用於找到載流子濃度。
- 用於計算電荷載流子（自由電子和空穴）的遷移率。
- 用於測量電導率。
- 用於測量交流功率和磁場強度。
