（1855～1938）霍爾效應(yīng)是霍爾(Hall)24歲時(shí)在德國(guó)霍普金斯學(xué)院研究生期間，研究關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力性質(zhì)時(shí)發(fā)覺的一種現(xiàn)象。在長(zhǎng)圓形導(dǎo)體板材上通以電壓，沿電壓的垂直方向施加磁場(chǎng)，都會(huì)在與電壓和磁場(chǎng)二者垂直的方向上形成電勢(shì)差，這些現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所形成的電勢(shì)差稱為霍爾電流。背景介紹霍爾效應(yīng)量子霍爾效應(yīng)長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，霍爾效應(yīng)是在溫度和中等硬度磁場(chǎng)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的。在霍爾效應(yīng)發(fā)覺100年后，1980年,英國(guó)化學(xué)學(xué)家克利青()在研究級(jí)高溫和強(qiáng)磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體時(shí)，發(fā)覺在高溫條件下半導(dǎo)體硅的霍爾效應(yīng)不是常規(guī)的那個(gè)直線反常霍爾效應(yīng)，而是隨著磁場(chǎng)硬度呈跳躍性的變化，這些跳躍的階梯大小由被整數(shù)除的基本數(shù)學(xué)常數(shù)所決定。這是當(dāng)代匯聚態(tài)化學(xué)學(xué)令人驚愕的進(jìn)展之一，這在后來(lái)被稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。因?yàn)檫@個(gè)發(fā)覺，克利青在1985年獲得了諾貝爾化學(xué)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)背景介紹構(gòu)造出了分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)的解析波函數(shù)，給分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)做出了理論解釋1998年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)在量子霍爾效應(yīng)家族里，至此尚未被發(fā)覺的效應(yīng)是“量子反常霍爾效應(yīng)”——不須要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)。
用高含量半導(dǎo)體材料，在超高溫環(huán)境：僅比絕對(duì)零度高非常之一攝氏度（約－273），強(qiáng)悍磁場(chǎng)：當(dāng)于月球磁場(chǎng)硬度100萬(wàn)倍研究量子霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)覺了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這個(gè)發(fā)覺使人們對(duì)量子現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步。現(xiàn)在由復(fù)旦學(xué)院薛其坤教授領(lǐng)銜，復(fù)旦學(xué)院、中科院化學(xué)所和哈佛學(xué)院研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)耗時(shí)4年在量子反常霍爾效應(yīng)研究中取得重大突破，在德國(guó)化學(xué)學(xué)家霍爾1880年發(fā)覺反常霍爾效應(yīng)133年后，她們從實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)，這是中國(guó)科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立觀測(cè)到的一個(gè)重要化學(xué)現(xiàn)象，也是數(shù)學(xué)學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)覺。這一發(fā)覺是相關(guān)領(lǐng)域的重大突破，也是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)覺。這一發(fā)覺或?qū)?duì)信息技術(shù)進(jìn)步形成重大影響。背景介紹反常量子霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)應(yīng)被發(fā)覺100多年以來(lái),它的應(yīng)用發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段：從霍爾效應(yīng)的發(fā)覺到20世紀(jì)40年代前期。最初因?yàn)榻饘俨牧现械碾娮雍亢艽蠖魻栃?yīng)非常微弱所以沒有引發(fā)人們的注重。這段時(shí)期也有人借助霍爾效應(yīng)霍爾效制成磁場(chǎng)傳感，但實(shí)用價(jià)值不大,到了1910年有人用金屬鉍制成霍爾器件，作為磁場(chǎng)傳感。并且，因?yàn)楫?dāng)時(shí)未找到更合適的材料，研究處于停頓狀態(tài)。
第二階段：從20世紀(jì)40年代中期半導(dǎo)體技術(shù)出現(xiàn)以后，隨著半導(dǎo)體材料、制造工藝和技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了各類半導(dǎo)體霍爾器件，非常是鍺的采用加快了霍爾器件的發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了采用分立霍爾器件制造的各類磁場(chǎng)傳感。第三階段；自20世紀(jì)60年代開始，,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了將霍爾半導(dǎo)體器件和相關(guān)的訊號(hào)調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感。步入20世紀(jì)80年代，隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)展，霍爾器件從平面向三維方向發(fā)展，出現(xiàn)了三端口或四端口固態(tài)霍爾傳感，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化。霍爾集成電路出現(xiàn)之后，很快便得到了廣泛應(yīng)用。背景介紹霍爾效應(yīng)---應(yīng)用發(fā)展1、測(cè)量自旋含量按照霍爾電流形成的公式，以及在外加磁場(chǎng)中檢測(cè)的霍爾電流可以判定傳導(dǎo)自旋的極性與含量，這些方法被廣泛的利用于半導(dǎo)體中參雜載體的性質(zhì)與含量的檢測(cè)上。2、霍爾效應(yīng)還能否檢測(cè)磁場(chǎng)在工業(yè)、國(guó)防和科學(xué)研究中，比如在粒子回旋器、受控?zé)岷朔磻?yīng)、同位素分離、地球資源偵測(cè)、地震預(yù)報(bào)和磁性材料研究等方面，常常要對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)磁場(chǎng)的方式主要有核磁共振法、霍爾效應(yīng)法和感應(yīng)法等。具體采用哪些方式，要由被測(cè)磁場(chǎng)的類型和強(qiáng)弱來(lái)確定。
霍爾效應(yīng)法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、探頭容積小、測(cè)量快和直接連續(xù)讀數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，非常適宜于檢測(cè)只有幾個(gè)毫米的磁體間的磁場(chǎng)，缺點(diǎn)是檢測(cè)結(jié)果受濕度的影響較大。霍爾效應(yīng)的應(yīng)用3、電磁無(wú)損探傷霍爾效應(yīng)無(wú)損探傷方式安全、可靠、實(shí)用，并能實(shí)現(xiàn)無(wú)速率影響測(cè)量，為此，被應(yīng)用在設(shè)備故障診斷、材料缺陷測(cè)量之中。其探傷原理是構(gòu)建在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率特點(diǎn)之上。采用霍爾器件檢查該泄露磁場(chǎng)B的訊號(hào)變化，可以有效地檢查出缺陷存在。鋼絲繩作為起重、運(yùn)輸、提升及承載設(shè)備中的重要預(yù)制構(gòu)件，被應(yīng)用于煤礦、運(yùn)輸、建筑、旅游等行業(yè)，但因?yàn)槭褂铆h(huán)境惡劣，在它表面會(huì)形成斷絲、磨損等各類缺陷，所以，及時(shí)對(duì)鋼絲繩探傷檢查變得尤為重要。目前，國(guó)外外公認(rèn)的最可靠、最實(shí)用的方式就是漏磁測(cè)量方式，依據(jù)這一測(cè)量方式設(shè)計(jì)的斷絲探傷檢查裝臵，如EMTC系列鋼絲繩無(wú)損檢查儀，其金屬截面積檢測(cè)精度為0.2％，一個(gè)捻距內(nèi)斷絲有一根錯(cuò)判時(shí)確切率90％，性能良好，在生產(chǎn)中有著廣泛的用途。4、現(xiàn)代車輛工業(yè)上應(yīng)用車輛上廣泛應(yīng)用的霍爾元件就包括：訊號(hào)傳感、ABS系統(tǒng)中的速率傳感、汽車速率表和里程表、液體化學(xué)量測(cè)量器、各種用電負(fù)載的電壓測(cè)量及工作狀態(tài)確診、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及連桿角度傳感、各種開關(guān)等。
比如用在車輛開關(guān)電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。由于車輛的手動(dòng)化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而車輛上有許多家具和家電件在開關(guān)時(shí)會(huì)形成浪涌電壓，使機(jī)械式開關(guān)觸點(diǎn)形成電弧，形成較大的電磁干擾訊號(hào)。采用功率霍爾開關(guān)電路就可以減少這種現(xiàn)象。中國(guó)科學(xué)家發(fā)覺的量子反常霍爾效應(yīng)也具有極高的應(yīng)用前景。量子霍爾效應(yīng)的形成須要用到特別強(qiáng)的磁場(chǎng)。而反常霍爾效應(yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同，反常霍爾濁度是因?yàn)椴牧媳旧淼淖园l(fā)磁化而形成的。實(shí)現(xiàn)了零磁場(chǎng)中的量子霍爾效應(yīng)，就有可能借助其無(wú)耗散的邊沿態(tài)發(fā)展新一代的低煤耗晶體管和電子學(xué)元件，進(jìn)而解決筆記本發(fā)熱問(wèn)題和摩爾定理的困局問(wèn)題。這種效應(yīng)可能在未來(lái)電子元件中發(fā)揮特殊作用：無(wú)需高強(qiáng)磁場(chǎng)，就可以制備低煤耗的高速電子元件，比如極低煤耗的芯片，因而可能促使高容錯(cuò)的全拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的誕生——這意味著個(gè)人筆記本未來(lái)可能得以更新?lián)Q代。10實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、驗(yàn)證霍爾傳感輸出電勢(shì)差與螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)硬度成反比。2、測(cè)量集成線性霍爾傳感的靈敏度。3、測(cè)量螺線管內(nèi)磁感應(yīng)硬度與位臵之間的關(guān)系，求得螺線管均勻磁場(chǎng)范圍及邊沿的磁感應(yīng)硬度。4、學(xué)習(xí)補(bǔ)償原理在磁場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用。
11實(shí)驗(yàn)原理現(xiàn)象——霍爾效應(yīng)在長(zhǎng)圓形導(dǎo)體板材上通以電壓，沿電壓的垂直方向施加磁場(chǎng)，都會(huì)在與電壓和磁場(chǎng)二者垂直的方向上形成電勢(shì)差，這些現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所形成的電勢(shì)差稱為霍爾電流。12若用一塊如圖所示的N型半導(dǎo)體試樣（導(dǎo)電的自旋是電子）設(shè)試樣的寬度為方向通過(guò)電流向左運(yùn)動(dòng)。若電子的電荷量軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)將遭到洛倫茲力的作用，洛倫茲力用理論剖析13因?yàn)槁鍌惼澚Φ淖饔茫率闺娮訉⒀氐姆较蛳蛏蟼?cè)偏軸的負(fù)方向），這樣就導(dǎo)致了側(cè)電子的積累，側(cè)正電荷的積累，進(jìn)而使兩邊出現(xiàn)電勢(shì)差，且點(diǎn)低于點(diǎn)，所以在試樣中產(chǎn)生了縱向電場(chǎng)這一電場(chǎng)就稱為霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)又對(duì)電子具有反方向的靜電力。（3）（此力方向向下）電子遭到電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的作用，一方面使電子向上偏斜，另一方面電子又遭到向下的制約電子向上偏斜的力。因?yàn)檫@兩個(gè)力的作用所以電子在半導(dǎo)體試樣側(cè)面的積累不會(huì)無(wú)限止地進(jìn)行下去：在開始階段，電場(chǎng)力比磁場(chǎng)力小，電荷繼續(xù)向側(cè)面積累，隨著積累電荷的降低，電場(chǎng)力不斷增加，直至電子所受的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力相等，即兩面產(chǎn)生恒定的電勢(shì)差叫霍爾電勢(shì)差。ned為自旋含量，為自旋所帶的電量。是一常量，僅與導(dǎo)體材料有關(guān)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)（10）可見，只要測(cè)出霍爾電勢(shì)差和工作電壓，就可以求出磁感應(yīng)硬度當(dāng)給定，改變時(shí)可得到呈線性關(guān)系，直線斜率就是。
由公式（9）可求得導(dǎo)電類型如圖：因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)電荷遭到洛倫茲力的作用反常霍爾效應(yīng)，使其S側(cè)積累負(fù)電荷，P側(cè)積累正電荷，因而電勢(shì)差是P點(diǎn)低于S點(diǎn)，17p型半導(dǎo)體導(dǎo)電自旋為空穴，空穴相當(dāng)于帶正電的粒子，帶正電粒子其運(yùn)動(dòng)方向和電壓運(yùn)動(dòng)方向相同，如圖所示：帶正電的粒子在洛倫茲力作用下，其正電荷向上偏斜，兩側(cè)積累了負(fù)電荷，產(chǎn)生下高上低的電勢(shì)差。這時(shí)，，所以是p型半導(dǎo)體。18求氮化物含量（11）這個(gè)關(guān)系式是假設(shè)所有的自旋都具有相同的飄移速率得到的，并且嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，考慮自旋的速率統(tǒng)計(jì)分布，霍爾系數(shù)表達(dá)式中應(yīng)該除以一個(gè)修正因子3/8由以上討論可知，霍爾電流與氮化物含量成正比，即導(dǎo)電材料的載流子含量越大，霍爾系數(shù)就越小，霍爾電勢(shì)差就越小，通常金屬中的載流子是自由電子，其含量很大(大概)，所以金屬材料的霍爾系數(shù)很小，霍爾效應(yīng)不明顯。半導(dǎo)體材料的氮化物含量要比金屬小得多，才能形成較大的霍爾電勢(shì)差，所以霍爾片要用半導(dǎo)體材料弄成，而不用金屬材料做霍爾片。另外氮化物含量的大小受濕度的影響較大，所以要注意清除氣溫的影響。還有，霍爾電流與通過(guò)霍爾片的工作電壓和電荷所受的磁場(chǎng)的乘積成反比，與霍爾片長(zhǎng)度成正比，霍爾片長(zhǎng)度越小，霍爾電動(dòng)勢(shì)就越大，所以制做霍爾片時(shí)常常采用減少的辦法來(lái)降低霍爾電動(dòng)勢(shì)，因而提升靈敏度。
室溫低濕度高濕度低濕度高方向與I和Ｂ方向有關(guān)。因?yàn)椴牧现凶孕乃俣炔煌诖艌?chǎng)的作用下，自旋的偏轉(zhuǎn)直徑不同，因而在y軸方向形成氣溫梯度，由此溫度梯度產(chǎn)生的溫差電動(dòng)20能斯特效應(yīng)沿x方向通以電壓，兩端電極與樣品的接觸內(nèi)阻不同而形成不同的焦耳熱，致使x方向形成氣溫梯度，這一氣溫梯度造成一附加的橫向熱擴(kuò)散電壓，在磁場(chǎng)的作用下，因而在y軸方向形成縱向電位差，為能斯特電流。方向只與Ｂ方向有關(guān)。霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng)21橫向熱擴(kuò)散電壓，在磁場(chǎng)的作用下，因而在y軸方向形成縱向溫差，這一縱向溫差又造成縱向電位差，為里吉-勒迪克電流。RL的方向只與Ｂ的方向有關(guān)。霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng)22不等位效應(yīng)制備霍爾樣品時(shí),y方向的檢測(cè)電極很難做到處于理想的等位面上，雖然在未加磁場(chǎng)時(shí)，在Ａ、Ｂ兩電極間也存在一個(gè)因?yàn)椴坏任浑妱?shì)造成的歐姆壓降Ｕ的方向有關(guān)。霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng)23霍爾效應(yīng)中負(fù)效應(yīng)的清除方向與I和Ｂ方向有關(guān)。能斯特效應(yīng)RL的方向只與Ｂ的方向有關(guān)不等位效應(yīng)