Эффект Холла. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Эффект Холла - возникновение в твёрдом проводнике с током плотностью j, помещённом в магн. поле Н, элек-трич. поля в направлении, перпендикулярном j и Н. Напряжённость электрич. поля (п о л я Х о л л а)

Здесь a - угол между векторами Н и j (a<180°). Если H | j, то поле Холла Е_Н максимально: E_H = RHj. Коэф. R, наз. постоянной Холла (коэф. Холла), является основной количеств. характеристикой эффекта Холла знак R положителен, если j, Н, Е_H образуют правовинтовую систему координат.

Эффект Холла открыт Э. Г. Холлом (Е. Н. Hall) в 1879 в тонких пластинках Аu. Для наблюдения X. э. прямоуг. пластины из исследуемых веществ длиной l, значительно большей ширины b и толщины d, вдоль к-рых течёт ток I=jbd, помещают в магн. поле Н, перпендикулярное плоскости пластинки (рис.). На середине боковых граней перпендикулярно току расположены электроды, между к-рыми измеряется эдс Холла

Эффект Холла объясняется взаимодействием носителей заряда (электронов проводимости и дырок) с магн. полем. В магн. поле на электроны действует Лоренца сила:

F=e[Hu](u = =j/пе - ср. скорость направленного движения носителей в электрич. поле, п - концентрация носителей, е - их заряд), под действием к-рой частицы отклоняются в направлении, перпендикулярном j и Н. В результате на боковой грани пластины происходит накопление зарядов и возникает поле Холла. В свою очередь поле Холла действует на заряды и уравновешивает силу Лоренца. При равновесии eE_H = eHu, откуда

Знак R совпадает со знаком носителей заряда. Для металлов, у к-рых n~10²² см^-3, R~10^-3 см³/Кл, у полупроводников R~1010⁵ см³/Кл.

Коэф. Холла может быть выражен через подвижность носителей заряда m = u_др/E (дрейфовая скорость носителей u_др = -eEt/m, где т - эффективная масса ,t - время между двумя последоват. соударениями с рассеивающими центрами) и уд. электропроводность s=j/E=enu_др/E:

Сказанное справедливо для изотропных проводников, в частности для поликристаллов .Для анизотропных кристаллов R = r/en, где коэф. r - величина, близкая к 1, зависящая от направления Н относительно кристаллографич. осей. В области сильных магн. полей r=1. Критерий сильного поля w_сt>1, где w_с - циклотронная частота носителей.

В полупроводниках в электропроводимости участвуют одновременно электроны проводимости и дырки. При этом постоянная Холла выражается через парциальные проводимости электронов s_э и дырок s_д и их концентрации п_э и n_д. В случае слабых полей

При п_э = п_д для всех значений магнитного поля R = = (1/еn)(s_э-s_д)/(s_э + s_д), а знак R соответствует знаку осн. носителей.

Для металлов величина R зависит от зонной структуры, т. е. формы ферми-поверхности. Для замкнутых поверхностей Ферми и в сильных магн. полях постоянная Холла изотропна, а выражения для R совпадают с (3) и (4). Для открытых поверхностей Ферми R - тензор. Однако если направление Н относительно кристаллографич. осей выбрано так, что не возникает открытых сечений поверхности Ферми, то выражения для R также аналогичны (3) и (4).

Эффект Холла - один из наиболее эфф. методов изучения энерге-тич. спектра носителей заряда в металлах и полупроводниках. Зная R, можно определить знак носителей заряда и оценить их концентрацию, что позволяет сделать заключение о кол-ве примесей в полупроводниках. Линейная зависимость R от Н используется для измерения напряжённости магн. поля (см. Магнитометры ),а также для усиления пост. токов, в аналоговых вычислит. машинах, в измерит. технике и др. (Холла датчик).

При изучении Эффекта Холла в двумерном электронном газе кремниевого полевого транзистора, помещённого в квантующее магн. поле, К. фон Клитцинг (К. von Klitzing) в 1980 обнаружил, что холловское сопротивление (R_H=V_H/I), к-рое в условиях обычного X. э., как следует из ф-л (2) и (3), обратно пропорционально п, при изменении п то остаётся постоянным, то резко изменяется, переходя с одного уровня на другой. Вместо монотонного убывания в зависимости R_H(n)наблюдались "ступеньки". При этом высота ступенек определяется такими фундам. константами, как постоянная Планка и заряд электрона, и не зависит от свойств вещества. Это явление получило назв. квантового Холла эффекта. Ю. П. Гайдуков.

При описании Эффекта Холла в магнетиках следует вместо поля Н рассматривать магн. индукцию В=Н+4pМ, где М- намагниченность .Поле Холла в поликристаллич. ферромагнетиках может быть записано в виде

Здесь x, у, z - координатные оси. Первое слагаемое описывает нормальный X. э. Вклад в поле Холла, пропорциональный намагниченности М, наз. ферромагнитным, спонтанным или аномальным эффектом Холла. Т. к. этот вклад существует в ферро-, ферри- и антиферромагн. металлах и полупроводниках, парамагнетиках и др., то термин "аномальный эффект Холла" является наиб. общим. Коэф. R_s в ферромагнетиках на 1-2 порядка больше R и обладает сильной (по сравнению с R)зависимостью от температуры. В сплавах величина и знак R_s зависят от концентрации компонент, причём в общем случае знак R_s может не совпадать со знаком R. В монокристаллах R_s также является тензорной величиной. Роль внеш. магн. поля в создании аномального X. э. сводится только к намагничиванию образца, в частности в однодоменных образцах аномальный эффект Холла наблюдается и без поля.

Аномальный эффект Холла обусловлен спин-орбитальным взаимодействием, к-рое пропорц. намагниченности и создаёт асимметрию рассеяния. носителей заряда, приводящую к холловскому "закручиванию" в отсутствие поля.

Лит. см. при статьях Гальвано магнитные явления, Квантовый Холла эффект. Магнетизм.

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.