Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

Рис. 17.4. Зависимость характе­ ристик структуры кристалличе­ ской решетки от направления в пространстве. Расстояния между узлами решетки могут значительно различаться для разных направлений кристалло­ графических осей

ион может быть смещен с требуемой позиции (ионная дислока­ ция); ионы в различных узловых точках решетки могут доста­ точно сильно отличаться один от другого, чтобы блокировать проход (например, в сплавах); возможны нарушения простран­ ственной периодичности из-за дефектов упаковки кристалличе­ ской решетки.

На рис. 17.4 представлена упрощенная схема, иллюстрирую­ щая кристаллическую решетку с существенным различием про­ странственных периодичностей по направлениям осей X, V и 1. Схема помогает понять условия, при которых амплитуда коле­ баний ионов по-разному влияет на электронный пучок в зависи­ мости от того, по какой оси он направлен. Очевидно, это есть следствие того, что в направлениях трех осей координат отноше­ ния амплитуды колебаний к пространственному периоду решетки различаются между собой. То же самое имеет место и для различных статических механизмов электрического сопротив­ ления. На самом деле существуют материалы, у которых удельные сопротивления по осям X, V и 1 различаются на несколько порядков.

17.13. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Если внутри твердого тела имеется вынуждающее электри­ ческое поле, или «градиент потенциала», то можно наблюдать целый ряд явлений, вызываемых этим полем.

Во-первых, в теле протекает электрический ток, если в нем имеются нужные носители заряда. Если вещество, из которого состоит тело, является изолятором, по определению не содержа­ щим носителей, то течение тока невозможно. Если же тело состоит из металла, который по определению содержит много носителей, то в нем будет протекать электрический ток, причем значение тока согласно закону Ома будет пропорционально на­

пряжению и обратно пропорционально постоянной величине, получившей название сопротивления. Каждое конкретное вещест­ во характеризуется определенным значением сопротивления. Закон Ома выражается математически следующей формулой:

1=Е/Я,

(17.1)

где Е — градиент потенциала, вызывающий течение

тока; / —

ток и Я — сопротивление.

Если вещество является полупроводником, который по опре­ делению имеет лишь ограниченное и к тому же небольшое число носителей, то закон Ома может не выполняться, так как число имеющихся носителей ограничено в зависимости от конкретных внешних условий и подвержено изменениям под влиянием из­

менений этих условий.

по отношению к

текущему

Во-вторых, сопротивление тела

в нем электрическому току зависит

как от размеров

тела, так

и от характеристики вещества, называемой удельным сопротив­ лением. Сопротивление выражается математически при помощи следующей формулы:

Я — г1/А,

(17.2)

где / — длина тела; А — площадь его поперечного

сечения

и г — удельное сопротивление вещества.

 

Удельное сопротивление можно определить как сопротивление единичного объема вещества, т. е. сопротивление тела, пред­

ставляющего собой

куб

с

длиной ребра 1 м, в

котором ток

проходит расстояние

1

м,

пересекая

поверхности

с

площадью

1

м2.

 

 

 

 

 

 

 

Как показывает уравнение (17.2),

сопротивление

возрастает,

если увеличивается длина пути, проходимого электрическим током, или уменьшается площадь поперечного сечения области, через которую течет ток.

В-третьих, когда электрический ток, протекая через тело, испытывает сопротивление, тело нагревается. Согласно закону Джоуля количество тепла выражается следующей формулой:

Н=кЯ121,

(17.3)

где / — ток; Я — сопротивление;

I — время

прохождения тока

и к — константа, зависящая от

принятых

единиц измерения

остальных величин.

 

 

17.14. ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ

Подвижность — это характеристика, указывающая, насколько легко носители перемещаются в твердом веществе под действием вынуждающего поля. Понятие подвижности играет существен­ ную роль в данном обсуждении в связи с тем, что имеется

272

фундаментальное различие между «омическим» и «гальваномагнитиым» напряжениями.

Как следует из уравнения (17.1), омическое напряжение пропорционально электрическому току, который, в свою очередь, зависит как от числа имеющихся носителей, так и от средней скорости носителей в направлении вынуждающего поля. Что касается гальваномагнитного напряжения, то оно зависит от числа носителей, движущихся в направлении исходного вынуж­ дающего поля, от их средней скорости в этом направлении и от подвижности этих же самых носителей по отношению к вторич­ ным силам, т. е. силам Лоренца, которые направлены перпенди­ кулярно первичным силам, т. е. исходному вынуждающему полю. На гальваномагнитное напряжение влияет не общее число имею­ щихся носителей, а только число носителей, действительно участвующих в создании первичного тока.

Подвижность можно определить математически как приобре­ тенную скорость перемещения носителя в направлении вынуж­ дающего поля, разделенную на напряженность этого поля:

Подвижность = Скорость/ Напряженность.

Здесь под приобретенной скоростью подразумевается эффек­ тивная скорость, рассмотренная в § 17.11 и 17.12.

При любых условиях, в том числе на молекулярном уровне, приобретенная скорость тела, испытавшего ускорение, равна произведению этого ускорения на пройденное расстояние:

Скорость = Ускорение X Расстояние.

Ускорение, испытываемое любым телом, равно напряжен­ ности вынуждающего поля, под действием которого находится тело, разделенной на массу тела:

Ускорение= Напряженность/Масса.

Из приведенных соотношений при соответствующем выборе единиц измерения можно получить следующее соотношение:

Подвижность= Скорость/ Напряженность= = Расстояние/Масса.

Таким образом, подвижность носителя пропорциональна среднему расстоянию между точками столкновения и обратно пропорциональна его массе.

Практически у различных веществ подвижности носителей могут сильно различаться, так как каждый материал при конк­ ретных условиях окружающей среды имеет характерные значе­ ния и среднего расстояния между столкновениями, и эффективной массы частиц. Различия среднего расстояния между столкнове­ ниями в зависимости от структуры решетки, ее дефектов, наличия примесей, направления осей кристаллов и от температуры были обсуждены в § 17.11 и 17.12. Возможность изменения массы на первый взгляд не очевидна, поскольку масса любого конкретного объекта, который может встретиться на практике, не изменяется во времени или же в зависимости от каких-либо иных перемен-

ных, к тому же можно доказать, что все электроны имеют в любом смысле одинаковые характеристики. Однако, как сле­ дует из приведенных выше соотношений,

Масса = Напряженность/Ускорение.

Таким образом, если ускорения, испытываемые носителем под влиянием одной и той же напряженности, различаются при разных условиях, то должны различаться и его массы.

Когда электрон является составной частью некоторой струк­ туры либо в связанном с ней, либо в относительно свободном состоянии, он не реагирует на ускоряющее напряжение таким же образом, каким он реагировал бы, если бы находился в со­ вершенно свободном состоянии. Молекулярные поля, которые воздействуют на электроны структуры решетки и в которые вносят свой вклад эти электроны, оказывают влияние на то, каким образом воспринимают электроны приложенную извне ускоряющую силу. Это ускоряющее поле действует совместно с локальными полями, причем испытываемое электроном ускоре­ ние зависит от напряженности как локальных полей, так и внеш­ него ускоряющего поля. Вследствие этого масса конкретного электрона представляется зависящей от локальных полей, и с учетом этого факта ее называют эффективной массой.

17.15. УДЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

Удельная электрическая проводимость — это удельная харак­ теристика вещества, обратная его удельному сопротивлению (см. § 17.13). Она количественно выражает способность имеющих­ ся носителей переносить электрический ток и может быть определена следующим соотношением:

Удельная электрическая проводимость=

= Плотность тока/Напряженность.

Учитывая, что

Плотность тока = Плотность носителей X Скорость носителей,

получаем в итоге

Удельная электрическая проводимость =

= ( Плотность носителей X Скорость носителей)/Напряженность,

или

Удельная электрическая проводимость

 

С = т п ,

(17.4)

где т — подвижность носителей и п — плотность носителей.

17.16. ГАЛЬВАНОМАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ

Под магниторезистивным эффектом подразумевается измене­ ние электрического сопротивления проводника при помещении его в магнитное поле.

Гальваномагниторезистивный эффект — это лишь одно из нескольких возможных явлений, связанных с изменением электри­

ческого сопротивления под влиянием магнитного поля. В эффекте Гаусса (см. § 18.2) магнитное поле изменяет структуру кристал­ лической решетки, тем самым изменяя подвижность носителя, тогда как в приборе Корбино (см. § 17.29) направленный в одну сторону ток вызывает противодействующую ему электродвижу-. щую силу, направленную противоположно.

Общий гальваномагниторезистивный эффект можно подраз­ делить на две составные части. А именно, это уменьшение ско­ рости движения носителя вперед, так как он вынужден двигать­ ся не только вперед, но и в боковом направлении, и уменьшение эффективной площади поперечного сечения проводника в ре­ зультате того, что носители сосредоточиваются у одной стороны проводника. Если носитель движется под некоторым углом к направлению тока и средний свободный пробег в этом отклонен­ ном направлении движения остается таким же, каким он был бы

внаправлении тока, то эффективный средний свободный пробег

внаправлении тока уменьшается. Поскольку удельная электри­ ческая проводимость в определенной степени зависит от среднего свободного пробега, уменьшение последнего влечет за собой уменьшение удельной электрической проводимости. Чем больше подвижность носителя, тем сильнее тенденция к отклонению на­ правления его движения и, следовательно, тем в большей степе­ ни магнитное поле влияет на удельную электрическую прово­ димость.

Гальваномагниторезистивный эффект можно наблюдать у веществ почти любого типа, но особенно сильно он проявляется у полуметаллов, так как им свойственна довольно большая заселенность и большая подвижность носителей. Полуметалл

Рис. 17.5. Адиабатический гальваномагниторезистивный эффект. Поскольку в теле, помещенном в магнитное поле и проводящем ток, силы Лоренца, дейст­ вующие на быстрые носители, больше сил Лоренца, действующих на медленные носители, в нем устанавливается температурный градиент (обозначения для электронов и дырок те же, что и на рис. 17.2)

Источник: https://studfile.net/preview/19992782/