Общие сведения. Классический и квантовый эффекты Холла

Классический и квантовый эффекты Холла. Метод измерения подвижности носителей тока в металлах и полупроводниках, основанный на эффекте Холла. Измерение фазы волновой функции и связанные с ней эффекты. Эффект Ааронова-Бома.

Лекция №15.

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 15.1

Ex = RHj sin a, (15.1),

где a угол между векторами Н и J (a<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 (15.2).

Здесь магнитное поле перпендикулярно плоскости пластинки. На середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены электроды, между которыми измеряется ЭДС Холла Vx:

Vx = Ехb = RHj/d.(15.3).

Так как ЭДС Холла меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то эффект Холла относится к нечётным гальваномагнитным явлениям.

Под действием электрического поля носители заряда приобретают направленное движе­ние (дрейф), средняя скорость которого (дрейфовая скорость) vдр¹0. 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

Иногда при описании Холла эффекта вводят угол Холла j между током j и направлением суммарного поля Е: tgj= Ex/E=Wt, где W – циклотронная частота носителей заряда. В слабых полях (Wt<<1) угол Холла j»Wt, можно рассматривать как угол, на который отклоняется движу­щийся заряд за время t.