.

Эффект Холла

Язык: русский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 1126
Скачать документ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики

Реферат

на тему

Эффект Холла

Выполнил:

студент группы 32СУ1

Лазарев Герасим

Проверил:

преподаватель Скидан В.В.

2000

Содержание.

Общие сведения 3

Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории 6

Эффект Холла в ферромагнетиках 9

Эффект Холла в полупроводниках 10

Эффект Холла на инерционных электронах в полупроводниках 11

Датчик ЭДС Холла 15

Список используемой литературы 17

1.Общие сведения.

Эффектом Холла называется появление в проводнике с током плотностью j,
помещённом в магнитное поле Н, электрического поля Ех, перпендикулярного
Н и j. При этом напряжённость электрического поля, называемого ещё полем
Холла, равна:

Рис 1.1

Ex = RHj sin (, (1)

где ( угол между векторами Н и J ((<180°). Когда H(j, то величина поля Холла Ех максимальна: Ex = RHj. Величина R, называемая коэффициентом Холла, является основной характеристикой эффекта Холла. Эффект открыт Эдвином Гербертом Холлом в 1879 в тонких пластинках золота. Для наблюдения Холла эффекта вдоль прямоугольных пластин из исследуемых веществ, длина которых l значительно больше ширины b и толщины d, пропускается ток:I = jbd (см. рис.);здесь магнитное поле перпендикулярно плоскости пластинки. На середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены электроды, между которыми измеряется ЭДС Холла Vx:Vx = Ехb = RHj(d. (2)Так как ЭДС Холла меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то Холла эффект относится к нечётным гальваномагнитным явлениям.Простейшая теория Холла эффекта объясняет появление ЭДС Холла взаимодействием носителей тока (электронов проводимости и дырок) с магнитным полем. Под действием электрического поля носители заряда приобретают направленное движение (дрейф), средняя скорость которого (дрейфовая скорость) vдр(0. Плотность тока в проводнике j = n*evдр, где n — концентрация числа носителей, е — их заряд. При наложении магнитного поля на носители действует Лоренца сила: F = e[Hvдp], под действием которой частицы отклоняются в направлении, перпендикулярном vдр и Н. В результате в обеих гранях проводника конечных размеров происходит накопление заряда и возникает электростатическое поле — поле Холла. В свою очередь поле Холла действует на заряды и уравновешивает силу Лоренца. В условиях равновесия eEx = еНvдр, Ex =1/ne Hj, отсюда R = 1/ne (cмз/кулон). Знак R совпадает со знаком носителей тока. Для металлов, у которых концентрация носителей (электронов проводимости) близка к плотности атомов (n(1022См-3), R~10-3(см3/кулон), у полупроводников концентрация носителей значительно меньше и R~105 (см3/кулон). Коэффициент Холла R может быть выражен через подвижность носителей заряда ( = е(/m* и удельную электропроводность ( = j/E = еnvлр/Е:R=(/( (3)Здесь m*— эффективная масса носителей, ( — среднее время между двумя последовательными соударениями с рассеивающими центрами.Иногда при описании Холла эффекта вводят угол Холла ( между током j и направлением суммарного поля Е: tg(= Ex/E=((, где ( — циклотронная частота носителей заряда. В слабых полях (((<<1) угол Холла ((((, можно рассматривать как угол, на который отклоняется движущийся заряд за время (. Приведённая теория справедлива для изотропного проводника (в частности, для поликристалла), у которого m* и ( их— постоянные величины. Коэффициент Холла (для изотропных полупроводников) выражается через парциальные проводимости (э и (д и концентрации электронов nэ и дырок nд:(a) для слабых полей (4)(б) для сильных полей.При nэ = nд, = n для всей области магнитных полей :,а знак R указывает на преобладающий тип проводимости.Для металлов величина R зависит от зонной структуры и формы Ферми поверхности. В случае замкнутых поверхностей Ферми и в сильных магнитных полях (((»1) коэффициент Холла изотропен, а выражения для R совпадают с формулой 4,б. Для открытых поверхностей Ферми коэффициент R анизотропен. Однако, если направление Н относительно кристаллографических осей выбрано так, что не возникает открытых сечений поверхности Ферми, то выражение для R аналогично 4,б.2. Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории.Если металлическую пластинку, вдоль которой течет постоянный электрический ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, то между гранями, параллельными направлениям тока и поля возникает разность потенциалов U=(1-(2 (смотри рис 2.1). Она называется Холловской разностью потенциалов (в предыдущем пункте – ЭДС Холла) и определяется выражением:uh =RbjB (2.1)Здесь b — ширина пластинки, j — плотность тока, B — магнитная индукция поля, R — коэффициент пропорциональности, получивший название постоянной Холла. Эффект Холла очень просто объясняется электронной теорией, отсутствие магнитного поля ток в пластинке обусловливается электрическим полем Ео (смотри рис 2.2). Эквипотенциальные поверхности этого поля образуют систему перпендикулярных к вектору Ео скоростей. Две из них изображены на рисунке сплошными прямыми линиями. Потенциал во всех точках каждой поверхности, а следовательно, и в точках 1 и 2 одинаков. Носители тока — электроны — имеют отрицательный заряд, поэтому скорость их упорядоченного движения и направлена противоположно вектору плотности тока j.При включении магнитного поля каждый носитель оказывается под действием магнитной силы F, направленной вдоль стороны b пластинки и равной по модулюF=euB (2.2)В результате у электронов появляется составляющая скорости, направленная к верхней (на рисунке) грани пластинки. У этой грани образуется избыток отрицательных, соответственно у нижней грани — избыток положительных зарядов. Следовательно, возникает дополнительное поперечное электрическое поле ЕB. Тогда напряженность этого поля достигает такого значения, что его действие на заряды будет уравновешивать силу (2.2), установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении. Соответствующее значение EB определяется условием: eEB=euB. Отсюда:ЕB=uВ.Поле ЕB складывается с полем Ео в результирующее поле E. Эквипотенциальные поверхности перпендикулярны к вектору напряженности поля. Следовательно, они повернутся и займут положение, изображенное на рис. 2.2 пунктиром. Точки 1 и 2, которые прежде лежали на одной и той же эквипотенциальной поверхности, теперь имеют разные потенциалы. Чтобы найти напряжение возникающее между этими точками, нужно умножить расстояние между ними b на напряженность ЕB:UH=bEB=buBВыразим u через j, n и e в соответствии с формулой j=neu. В результате получим:UH=(1/ne)bjB (2.3)Последнее выражение совпадает с (2.1), если положитьR=1/ne (2.4)Из (2.4) следует, что, измерив постоянную Холла, можно найти концентрацию носителей тока в данном металле (т. е. число носителей в единице объема).Важной характеристикой вещества является подвижность в нем носителей тока. Подвижностью носителей тока называется средняя скорость, приобретаемая носителями при напряженности электрического поля, равной единице. Если в поле напряженности Е носители приобретают скорость u то подвижность их u0 равна:U0=u/E (2.5)( и концентрацией носителей n. Для этого разделим соотношение j=neu на напряжённость поля Е. Приняв во внимание, что отношение j к Е дает (, а отношение u к Е - подвижность, получим:(=neu0 (2.6)Измерив постоянную Холла R и проводимость (, можно по формулам (2.4) и (2.6) найти концентрацию и подвижность носили тока в соответствующем образце.Рис 2.1Рис 2.23. Эффект Холла в ферромагнетиках.В ферромагнетиках на электроны проводимости действует не только внешнее, но и внутреннее магнитное поле:В = Н + 4(МЭто приводит к особому ферромагнитному эффекту Холла. Экспериментально обнаружено, Ex= (RB + RаM)j, где R — обыкновенный, a Ra — необыкновенный (аномальный) коэффициент Холла. Между Ra и удельным электросопротивлением ферромагнетиков установлена корреляция.4. Эффект Холла в полупроводниках.Эффект Холла наблюдается не только в металлах, но и в полупроводниках, причем по знаку эффекта можно судить о принадлежности полупроводника к n- или p-типу, так как в полупроводниках n-типа знак носителей тока отрицательный, полупроводниках p-типа – положительный. На рис. 4.1 сопоставлен эффект Холла для образцов с положительными и отрицательными носителями. Направление магнитной силы изменяется на противоположное как при изменении направления движения заряда, так и при изменении его знака. Следовательно, при одинаковом направлении тока и поля магнитная сила, действующая на положительные и отрицательные носители, имеет одинаковое направление. Поэтому в случае положительных носителей потенциал верхней (на рисунке) грани выше, чем нижней, а в случае отрицательных носителей — ниже. Таким образом, определив знак холловской разности потенциалов, можно установить знак носителей тока. Любопытно, что у некоторых металлов знак Uн соответствует положительным носителям тока. Объяснение этой аномалии дает квантовая теория.Рис 4.15. Эффект Холла на инерционных электронах в полупроводниках.Предсказан новый физический эффект, обусловленный действием силы Лоренца на электроны полупроводника, движущегося ускоренно. Получено выражение для поля Холла и выполнены оценки холловского напряжения для реальной двумерной гетероструктуры. Выполнен анализ возможной схемы усиления холловского поля на примере двух холловских элементов, один из которых — генератор напряжения, а второй — нагрузка.Известен опыт Толмена и Стюарта, в котором наблюдался импульс тока j, связанный с инерцией свободных электронов. При инерционном разделении зарядов в проводнике возникает электрическое поле напряженностью E. Если такой проводник поместить в магнитное поле B, то следует ожидать появления эдс, аналогичной эффекту Холла, обусловленной действием силы Лоренца на инерционные электроны.В проводнике, движущемся с ускорением dvx/dt, возникает ток jx и поле Ex, (1), (2)где ( = en( — проводимость, ( — подвижность. В магнитном поле B(0; 0; Bz) возбуждается поле Ey = (1/ne) jxBz или(3)Последнее выражение эквивалентно Ey = Ex(Bz.Наиболее подходящий объект для экспериментального наблюдения эффекта — двумерные электроны в гетеросистеме n-AlxGa1-xAs/GaAs. В единичном образце (1x1 см2) в поле 1 Тл и (( 104 см2 (В * с) для dvx/dt ( 10 м/с2 следует ожидать сигнал Vy( 6*10-11B, что вполне доступно для современной техники измерений.Рассмотрим одну из возможностей усиления эффекта на примере двух холловских элементов, один из которых (I) является генератором поля Холла, а второй (II) —нагрузкой. Схема соединений холловских элементов I и II показана на рисунке.Итак, в магнитном поле Bz (направление которого на рисунке обозначено знаком () в первом холловском элементе (I) возбуждается ток j(1)x , поле E(1)x и холловское поле E(1)y, даваемые выражениями (1)–(3). Замкнув потенциальные (холловские) контакты X1-X1 на токовые контакты T2-T2 холловского элемента II, в последнем дополнительно к первичному полю E(2)x = E(1)x, определяемому выражением (2), имеем и поле E(1)y. Так что результирующее поле имеет два компонента — E(2)x = E(1)x+ E(1)y. Это возможно, если холловский элемент I рассматривать как генератор напряжения, нагруженный на холловский элемент II. В этом случае должен выполняться режим ”холостого хода”, для чего необходимо выполнить условие R(X1-X1)<

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2019