Холла эффект

Хо́лла эффект

Появление в проводнике с током плотностью j, помещенном в магнитное поле Н, электрического поля Ex, перпендикулярного Н и I. Напряжённость электрического поля (поля Холла) равна:

Ex = Rhjsin α, (1)

где α угол между векторами Н и f (α < 180°). Если H ⊥ j, то величина поля Холла Ex максимальна: Ex = RHj. Величина R, называется коэффициентом Холла, является основной характеристикой Х. э. Эффект открыт Э. Г. Холлом в 1879 в тонких пластинках золота. Для наблюдения Х. э. вдоль прямоугольных пластин из исследуемых веществ, длина которых l значительно больше ширины b и толщины d, пропускается ток I = jbd (см. рис.); магнитное поле перпендикулярно плоскости пластинки. На середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены электроды, между которыми измеряется эдс Холла Vx.

Vx = Exb = RHj/d. (2)

Т. к. эдс Холла меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то Х. э. относится к нечётным гальваномагнитным явлениям (См. Гальваномагнитные явления).

Простейшая теория Х. э. 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, e — их заряд. При наложении магнитного поля на носители действует Лоренца сила: F = е [Нvдр], 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 = eHvдр, , отсюда R = 1/ne см3/кулон. Знак R совпадает со знаком носителей тока. Для металлов (См. Металлы), у которых концентрация носителей (электронов проводимости) близка к плотности атомов (n — 1022см-3), R ~ 10-3см3/кулон, у полупроводников (См. Полупроводники) концентрация носителей значительно меньше и R~10-5см3/кулон. Коэффициент Холла R может быть выражен через подвижность носителей (См. Подвижность носителей тока) заряда μ = еτ/m* и удельную электропроводность σ = j/E = envдрЕ:

R = μ/σ. (3)

Здесь m*— Эффективная масса носителей, τ — среднее время между 2 последовательными соударениями с рассеивающими центрами.

Иногда при описании Х. э. вводят угол Холла φ между током j и направлением суммарного поля Е: tgφ = Ex/E = Ωτ, где Ω — Циклотронная частота носителей заряда. В слабых полях (Ωτ << 1) угол Холла φ — Ωτ можно рассматривать как угол, на который отклоняется движущийся заряд за время τ. Приведённая теория справедлива для изотропного проводника (в частности, для Поликристалла), у которого m* и τ — постоянные величины. Коэффициент Холла (для изотропных полупроводников) выражается через парциальные проводимости σэ и σд и концентрации электронов nэ и дырок nд:

(4)

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 (См. Ферми поверхность). В случае замкнутых поверхностей Ферми и в сильных магнитных полях (Ωτ >> 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.

В ферромагнетиках (См. Ферромагнетики) на электроны проводимости действует не только внешнее, но и внутреннее магнитное поле: В = Н + 4πМ. Это приводит к особому ферромагнитному Х. э. Экспериментально обнаружено, что Ex= (RB + RaM) j, где R — обыкновенный, a Ra — необыкновенный (аномальный) коэффициент Холла. Между Ra и удельным электросопротивлением ферромагнетиков установлена корреляция.

Исследования Х. э. сыграли важную роль в создании электронной теории твёрдого тела (См. Твёрдое тело). Х. э. — один из наиболее эффективных современных методов изучения энергетического спектра носителей заряда в металлах и полупроводниках. Зная R, можно определить знак носителей и оценить их концентрацию, а также часто сделать заключение о количестве примесей в веществе, например в полупроводнике. Он имеет также ряд практических применений: используется для измерения напряжённости магнитного поля (см. Магнитометр), усиления постоянных токов (в аналоговых вычислительных машинах (См. Аналоговая вычислительная машина)), в измерительной технике (бесконтактный амперметр) и т.д. (подробно см. Холла эдс датчик).

Лит.: Hall Е. Н., On the new action of magnetism on a permanent electric current, «The Philosophical Magazine», 1880, v. 10, p. 301; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Займан Дж., Электроны и фононы. Теория явлений переноса в твердых телах, пер. с англ., М., 1962; Вайсс Г., физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их применение, пер. с нем., М., 1974; Ангрист Ст., Гальваномагнитные и термомагнитные явления, в сборнике: Над чем думают физики, в. 8. Физика твёрдого тела. Электронные свойства твёрдого тела, М., 1972, с. 45—55.

Ю. П. Гайдуков.

Рис. к ст. Холла эффект.