книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

Рис. 17.17. Прибор Корбино. По­ казанная форма тепа из вещест­ ва Холла обусловливает боль­ шое электрическое сопротив­ ление

носительно слабых полей, но при очень больших напряженностях поля имеет место другая зависимость. Сопротивление прибора Корбино зависит от напряжения Холла, тогда как магниторе­ зистивное сопротивление не зависит.

В соответствии с тем же самым общим принципом тепло бу­ дет переноситься от внешнего к внутреннему кольцу прибора Корбино, причем интенсивность теплового потока будет изме­ няться в зависимости от напряженности магнитного поля,

17.30. ЖИДКОСТНЫЙ ПРИБОР КОРБИНО

Все магнитоэлектрические и гальваномагнитные эффекты в своей основе связаны с возникновением поперечного электриче­ ского поля под действием сил Лоренца. Независимо от того, положительно или отрицательно заряжены носители, в твердом веществе или в жидкости они движутся, и независимо от причи­ ны их движения все они испытывают действие аналогичных сил и реагируют на это действие аналогичным образом. Так, в жидкостном приборе Корбино вторичный ток, образованный положительными и отрицательными ионами и циркулирующий по окружному пути, возникает в результате течения исходного тока по радиальному пути (точно так же, как и в устройстве, пока­ занном на рис. 17.17).

17.31. УСТРОЙСТВО С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ЭФФЕКТОМ ХОЛЛА

При обсуждении общих принципов, лежащих в основе гальваномагнитных явлений, рассматривались удельные величины — градиенты потенциала, плотности тока и т. п. Однако конкрет­ ное устройство Холла характеризуется абсолютными физиче­ скими величинами. В теле из определенного вещества с точно заданными размерами, в котором течет определенный ток, гене­ рируется определенное напряжение Холла, если это тело подвер­ жено действию особых заданных внешних условий, в частности,

3. Конфигурация. Для того чтобы устройство Холла можно было использовать на практике, его чувствительный элемент нужно снабдить электродами для подачи тока возбуждения и отвода измерительного тока. Размеры электродов и способ их соединения с чувствительным элементом оказывают значитель­ ное влияние на характеристики устройства. Электродная под­ кладка с продольным размером с частично шунтирует продоль­ ный градиент потенциала и вызывает перераспределение абсо­ лютной величины и направления тока в устройстве. Кроме того, хотя отводящие электроды предназначены только для измерения напряжения Холла, они наряду с этим напряжением будут вос­ принимать также часть продольного градиента потенциала, если их расположение в продольном направлении не удовлетворяет требуемым условиям равновесия.

4. Полнгальваномагнитные структуры. Отводящие электроды устройства Холла действуют в некотором отношении как погло­ тители тепла, допускающие возникновение теплового потока под влиянием эффекта Эттингсгаузена. Добавление результирующего продольного напряжения Нернста к продольному напряжению Холла, обусловленному измерительным током, увеличивает эф­ фективное сопротивление устройства. Конечно, к сопротивлениям Холла и Нернста добавляется магниторезистивное сопротивление. Изменение условий, влияющих на эти величины, влечет за собой

иизменение общего сопротивления устройства.

5.Температурные коэффициенты. При повышении температуры сопротивление вещества л-типа сначала увеличивается из-за уменьшения подвижности носителей. Однако при температурах выше некоторого определенного значения полупроводник л-типа превращается в собственный полупроводник, и сопротивление уменьшается вследствие увеличения заселенности носителей. Эти явления изменения сопротивления можно предотвратить, подав ток возбуждения от источника постоянного тока и уравновесив напряжение Холла противоположным по знаку напряжением. Между тем само напряжение Холла непрерывно уменьшается при повышении температуры, так как его значение зависит от подвиж­ ности носителей и плотности тока, но не зависит от заселенности носителей.

6.Тепловые эффекты. В результате неточности в располо­ жении отводящих электродов на выходе устройства Холла имеется остаточное напряжение при нулевом внешнем магнитном поле. Это напряжение смещения нуля существенно изменяется при малых изменениях тока возбуждения. Точное и надежное предска­ зание дрейфа напряжения смещения нуля практически не пред­ ставляется возможным. Его можно свести к минимуму только пу­ тем улучшения конструкции электродов. Напряжение смещения нуля также возникает в результате термоэлектрических эффектов, порождаемых различием свойств материалов, используемых для

изготовления устройства Холла. Влияние этого фактора можно минимизировать, поддерживая в цепи Холла постоянную и равно­ мерно распределенную температуру.

7. Магнитное поле. Напряжение Холла пропорционально произведению величин тока возбуждения и напряженности маг­ нитного поля, направленного перпендикулярно направлению этого тока. Если ток возбуждения и магнитное поле направлены не перпендикулярно по отношению друг к другу, то напряжение Холла будет меньше на величину, пропорциональную синусу угла отклонения от взаимно перпендикулярного направления.

8. Устройство с положительным эффектом Холла. Вследствие того что обычно подвижность дырок меньше, чем подвижность электронов, для конструирования устройств с положительным эффектом Холла имеется мало побудительных мотивов, хотя такие устройства обладают некоторыми характеристиками, су­ щественно отличающимися от характеристик устройств с отри­ цательным эффектом Холла. Прежде всего, конечно, нужно отметить противоположные направления напряжений Холла в этих устройствах. Фактически возможность получения положи­ тельного напряжения Холла является одним из неопровержимых доказательств существования дырок. Различие между указанными устройствами состоит также и в том, что в устройстве с поло­ жительным эффектом Холла напряжение Холла уменьшается при повышении температуры, как и в устройстве с отрицательным эффектом Холла, однако это уменьшение простирается до самого нуля. По достижении определенной температуры напряжение Холла меняет знак на противоположный и данное устройство превращается в устройство с отрицательным эффектом Холла. Это значение температуры, называемое точкой обращения Холла, лежит в области температур, где вещество р-типа переходит в собственный полупроводник. Даже в тех случаях, когда дырки и электроны возникают одновременно в виде пар, доминирующую роль в генерации напряжения Холла играет большая подвижность электронов.

17.32.УМНОЖАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ХОЛЛА

Вумножающем устройстве Холла магнитное поле, требуемое для получения эффекта Холла, создается током, текущим в про­ воднике. Соответственно напряженность этого поля пропорцио­ нальна току. Напряжение Холла пропорционально как напря­

будет пропорционально произведению тока, генерирующего маг­ нитное поле, (/■) и тока возбуждения устройства Холла (/г). Напряжение Холла пропорционально значению этого произведе­ ния при любых частотах изменения указанных токов, включая нулевую частоту (постоянный ток).

изготовления устройства Холла. Влияние этого фактора можно минимизировать, поддерживая в цепи Холла постоянную и равно­ мерно распределенную температуру.

7. Магнитное поле. Напряжение Холла пропорционально произведению величин тока возбуждения и напряженности маг­ нитного поля, направленного перпендикулярно направлению этого тока. Если ток возбуждения и магнитное поле направлены не перпендикулярно по отношению друг к другу, то напряжение Холла будет меньше на величину, пропорциональную синусу угла отклонения от взаимно перпендикулярного направления.

8. Устройство с положительным эффектом Холла. Вследствие того что обычно подвижность дырок меньше, чем подвижность электронов, для конструирования устройств с положительным эффектом Холла имеется мало побудительных мотивов, хотя такие устройства обладают некоторыми характеристиками, су­ щественно отличающимися от характеристик устройств с отри­ цательным эффектом Холла. Прежде всего, конечно, нужно отметить противоположные направления напряжений Холла в этих устройствах. Фактически возможность получения положи­ тельного напряжения Холла является одним из неопровержимых доказательств существования дырок. Различие между указанными устройствами состоит также и в том, что в устройстве с поло­ жительным эффектом Холла напряжение Холла уменьшается при повышении температуры, как и в устройстве с отрицательным эффектом Холла, однако это уменьшение простирается до самого нуля. По достижении определенной температуры напряжение Холла меняет знак на противоположный и данное устройство превращается в устройство с отрицательным эффектом Холла. Это значение температуры, называемое точкой обращения Холла, лежит в области температур, где вещество р-типа переходит в собственный полупроводник. Даже в тех случаях, когда дырки и электроны возникают одновременно в виде пар, доминирующую роль в генерации напряжения Холла играет большая подвижность электронов.

17.32.УМНОЖАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ХОЛЛА

Вумножающем устройстве Холла магнитное поле, требуемое для получения эффекта Холла, создается током, текущим в про­ воднике. Соответственно напряженность этого поля пропорцио­ нальна току. Напряжение Холла пропорционально как напря­

будет пропорционально произведению тока, генерирующего маг­ нитное поле, (/■) и тока возбуждения устройства Холла (/г). Напряжение Холла пропорционально значению этого произведе­ ния при любых частотах изменения указанных токов, включая нулевую частоту (постоянный ток).

Рис. 17.20. Устройство с отрицательным эффектом Нернста. Напряжение Нернста, генерируемое в практическом устройстве с применением вещества Нернста, значительно отличается от теоретически рассчитанного значения из-за влияния термопарных эффектов, процессов переноса тепла, подсоединения проводов и т. п.

принципу действия, так и по конструкции (рис. 17.20), к нему применимо многое из сказанного выше. Однако в устройстве Нернста дырки и электроны движутся вместе, а не в противопо­ ложные стороны, как в устройстве Холла. Этот однонаправлен­ ный поток носителей обусловливает некоторые существенные отличия устройства Нернста от устройства Холла.

В частности, вследствие того что напряжение Нернста всегда имеет одно и то же направление, не может генерироваться поло­ жительное напряжение Нернста. Далее, здесь на кривой изме­ нения напряжения отсутствует характерная точка, подобная точке обращения Холла; однако известна точка обращения Нерн­ ста, в которой изменяет направление тепловой поток, обуслов­ ленный эффектом Риги — Ледюка.

17.35.ФОТОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ

Всобственных полупроводниках образование пар электрон — дырка является следствием энергетического взаимодействия меж­

ду фотонами и связями решетки. Фотоэлектромагнитный эффект заключается в возникновении градиента потенциала из-за разде­ ления пар электрон — дырка на отдельные элементы под влия­ нием сил Лоренца, как показано на рис. 17.21.

Электромагнитное излучение, падающее на поверхность полупроводящего вещества, интенсивно поглощается этим веществом, если частота излучения соответствует энергии связи структур­ ных электронов.

Фотоны

Рис. 17.21. Фотоэлектромагнитный эффект. Вновь образующиеся носители, кото­ рые освобождаются парами под действием фотонов, удаляются от места своего возникновения, стремясь сохранить характерную заселенность носителей. При­ ложенные к ним силы Лоренца создают градиент потенциала, перги ндикулярный направлению их движения (обозначения для электронов и дырок те же, что и на рис. 17.2)

Когда энергия излучения взаимодействует с электронными связями, происходит разрыв этих связей благодаря их энергети­ ческой эквивалентности с излучением данной частоты, и образу­ ются пары электрон — дырка. Возникновение этих пар у поверх­ ности тела увеличивает здесь заселенность носителей выше уровня, который характерен для данной температуры. Образо­ вавшиеся носители диффундируют внутрь кристалла под дей­ ствием градиента заселенности пар электрон — дырка. Диффу­ зионное движение происходит с некоторой средней скоростью в направлении, нормальном поверхности тела, и при некотором характерном времени жизни носителей.

Если поперек направления диффузии приложено магнитное поле, то электроны отклоняются в одну сторону, а дырки — в дру­ гую. В результате в теле возникает разность потенциалов, соот­ ветствующая напряжению Нернста; она направлена перпендику­ лярно направлениям магнитного поля и диффузии. Величина фотоэлектромагнитного напряжения пропорциональна произведе­ нию подвижности носителей и магнитной индукции. Поскольку горячие электроны отклоняются в направлении, противоположном направлению отклонения горячих дырок, возникновение гради­ ента потенциала не сопровождается возникновением значитель­ ного температурного градиента.

Детектор фотонов, основанный на фотоэлектромагнитном эффекте, представляет собой относительно свободный от шума прибор, так как он может функционировать при криогенных температурах, обеспечивающих сведение к минимуму тепловых шумов.

17.36. МЕХАНОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ

Механоэлектромагнитный эффект обусловлен образованием пар электрон — дырка в результате разрыва связей при динами­ ческих механических деформациях структуры кристаллической решетки (рис. 17.22). Если механические деформации сосредото­ чены в одной ограниченной области, то возникают градиенты за­ селенности носителей, которые можно использовать аналогично тому, как это делается в случае фотоэлектромагнитного эффекта.

Химический процесс

17.37. ХЕМИЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ

Некоторые химические процессы приводят к образованию носителей. При воздействии такого процесса на определенную поверхность полупроводника может наблюдаться хемиэлектро­ магнитный эффект, аналогичный фотоэлектромагнитному эффек­ ту (рис. 17.23).

18. ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С УПОРЯДОЧЕННОСТЬЮ МАГНЕТОНОВ

Здесь будут рассмотрены изменения электрических характе­ ристик веществ, причина которых состоит в изменении струк­ туры распределения ориентаций магнетонов, т. е. явления, свя­ занные с упорядоченностью магнетонов. Например, электриче­ ское сопротивление тела зависит от упорядоченности структуры вещества, из которого оно состоит. Понятие упорядоченности включает как упорядоченность расположения ядер и электронов, составляющих вещество, так и упорядоченность ориентаций этих же частиц, функционирующих как магнетоны.

Свой вклад в удельное сопротивление вещества вносят такие факторы, как расположение элементов в структуре кристалли­ ческой решетки, геометрические параметры этой решетки, регу­ лярность структуры решетки, тепловые движения элементов решетки в пределах, допускаемых связями, и др. Любые изме­ нения этих факторов отражаются на удельном сопротивлении. Кроме того, поскольку установившиеся направления осей маг­ нетонов также представляют собой фактор организации кристал­ лической решетки, эти направления также влияют на явления, связанные с удельным сопротивлением. Силы, которые могут изменить распределение ориентаций магнетонов, сказываются и на удельном сопротивлении.

Распределение ориентаций осей магнетонов играет двоякую роль. Во-первых, направления магнетонов влияют на геометри­ ческие параметры решетки и другие ее характеристики, к кото­ рым чувствительны электроны проводимости. Иными словами, направления магнетонов оказывают влияние на кулоновские силы взаимного притяжения или отталкивания между отдельными элементами решетки. Эти силы деформируют решетку. Если они по какой-либо причине изменяются, то в результате изменяются и геометрические параметры решетки.

Во-вторых, магнетоны сами по себе действуют как центры рассеяния электронов проводимости. При этом магнетоны со случайной ориентацией оказывают на электроны более сильное рассеивающее воздействие, чем магнетоны с упорядоченной ори­ ентацией.

Таким образом, изменение характера упорядоченности ориен­ таций магнетонов приводит к изменению взаимного расположе­ ния элементов в структуре решетки и механизма рассеяния элек­ тронов, связанного с упорядоченностью магнетонов. Поскольку любой фактор, влияющий на ориентации магнетонов, в опреде­ ленной степени влияет и на структуру решетки, изменение этого фактора, несомненно, влечет за собой изменение всех электри­ ческих характеристик вещества.

При помощи магнитного поля можно упорядочить распреде­