Эффект Холла

Явления, возникающие в полупроводнике с током при перемещении его в магнитном поле, называются гальваномагнитными.

К числу наиболее распространенных гальваномагнитных явлений относится эффект Холла, под которым понимают явление, открытое в 1879 г. американским физиком Эдвином Гербертом Холлом.

Пусть вдоль пластинки из полупроводника, имеющей тол­щину d, длину а и ширину b (причем ), протекает ток (управляющий ток), а пер­пендикулярно к ее поверхности направлено магнитное поле (уп­равляющее поле), как это пока­зано на рис. 2.12. При одновре­менном воздействии этих двух управляющих величин между точ­ками 3 и 4 возникает э. д. с. Е₂ (э. д. с. Холла), равная

Рассмотрим механизм возникновения эффекта Холла для слу­чая полупроводника с электронной проводимостью.

Электроны, вызывающие ток как известно, движутся в на­правлении, противоположном направлению тока (рис. 2.12). Под влиянием магнитного поля, направленного перпендикулярно к плоскости пластинки, на движущиеся электроны воздействует сила Лоренца

где е — заряд электрона; V — скорость движения электрона. Эта сила направлена перпендикулярно к направлению движения элек­тронов и магнитного поля (правило левой руки) и отклоняет элек­троны к переднему краю пластинки. Благодаря накоплению элек­тронов на переднем крае пластинки он заряжается отрицательно (рис. 2.12, отрицательный потенциал точки 4), а противоположный край обедняется электронами и приобретает заряд, соответствую­щий заряду освобожденных ионов кристаллической решетки, т. е. положительный (рис. 2.12, потенциал точки 3). Вследствие этого в полупроводнике возникает поперечное холловское электрическое поле (направленное от заднего края пластинки к переднему), пре­пятствующее отклонению электронов под действием силы Лоренца.

Процесс накопления зарядов разных знаков у противоположных граней полупроводника продолжается до тех пор, пока сила, вызы­ваемая электрическим полем возникших электрических зарядов, не станет равной силе, обусловленной магнитным полем.

В этом стационарном состоянии электроны опять начнут проте­кать вдоль пластинки.

При одинаковых направлениях тока и магнитного поля знаки зарядов соответствующих граней электронных и дырочных полу­проводников и, следовательно, направления холловских полей в них будут противоположными.

Для практического применения эффекта Холла (в датчиках электрических и магнитных величин, счетно-решающих элементах и преобразователях) необходимо иметь материал с малой концентрацией носителей с высокой подвижностью. Таким материалом являются германий, кремний, арсенид индия и др.)

Контрольные вопросы и упражнения

1. Назовите основные специфические особенности полупроводников.

2. На какие свойства полупроводника влияет ширина запрещенной зоны?

3. Что такое дырка? В чем состоит различие дырки и ионизированного атома?

4. Объясните процесс прохождения тока в собственном полупроводнике. Поясните, почему при небольших значениях напряжений ток пропор­ционален напряжениям, в то время как при больших приложенных на­пряжениях ток мало зависит от них.

5. Какой полупроводник называют примесным? Найдите правильный ответ:

1) смесь нескольких различных полупроводников;

2) механическая смесь частиц металла и диэлектрика;

3) смесь кремния и германия;

4) полупроводник, содержащий в небольшой концентрации примесь с валентностью, отличной от валентности основного вещества.

6. От чего зависит электропроводность примесных полупроводников? Найдите правильный ответ:

1) от концентрации примесей;

2) от полярности приложенного напряжения;

3) от направления протекающего тока.

7. Что такое основные и неосновные носители зарядов? Как связаны между собой их равновесные концентрации?

8. Что такое собственная электропроводность? Может ли примесный полупроводник обладать собственной электропроводностью?

9. Где располагается уровень Ферми у примесных полупроводников р -типа? Найдите правильный ответ:

1) посредине запрещенной зоны;

2) в валентной зоне;

3) в зоне проводимости;

4) вблизи валентной зоны;

5) вблизи зоны проводимости.

11. В каких случаях возникает неравновесное состояние полупроводника?

12. Какой зависимостью связаны диффузионная длина и время жизни но­сителей?

13. Какие токи могут протекать в полупроводнике?

14. Что такое дрейф носителей в полупроводнике?

15. Что такое диффузия носителей в полупроводнике?

16. Объясните зависимость удельной электропроводности примесного полу­проводника от температуры.