Рис. 17.19. Умножающее устройство Холла. Если тело из вещества Холла помещено в поле Био — Савара, окру жающее проволоку с электрическим током, то напряжение Холла будет про порционально произведению двух то ков — тока в первичном проводнике и тока, текущего через устройство Холла
Ферромагнитный щ ^м ат ериал
Как показано на рис. 17.19, проводник с током / ( можно окру жить концентратором магнитного поля в виде ферромагнитного сердечника. Хотя такой концентратор значительно увеличивает вклад тока /1 в произведение Ен, он добавляет индуктивное сопротивление к нагрузке относительно тока Л, а также создает гистерезис для величины Ен. В других условиях для обоих токов /1 и /2 нагрузка является чисто резистивной.
17.33. КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ
Если вынуждающее поле направлено вдоль оси X, а магнит ное поле — вдоль оси V, то следует ожидать, что гальваномагнитный эффект будет действовать в направлении оси 1. Однако в случае, когда такие явления происходят в кристалле, ориента ция осей кристалла может существенно повлиять на их резуль тат, поскольку подвижность носителей в направлении одной из осей иногда во много раз превышает их подвижность в других направлениях. Одна из структур кристаллической решетки с та кими свойствами иллюстрируется на рис. 17.4. Если «благоприят ная» ось кристалла не совпадает с направлением оси 2, то максимальное гальваномагнитное напряжение будет генериро ваться на некотором промежуточном направлении между осью 2 и «благоприятной» осью. При рассмотрении эффекта Холла такое напряжение называют квадратичным напряжением Холла, а его компоненту, совпадающую по направлению с магнитным полем,— линейным напряженней Холла.
“17.34. УСТРОЙСТВО С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ЭФФЕКТОМ НЕРНСТА
Поскольку устройство с отрицательным эффектом Нернста аналогично устройству с отрицательным эффектом Холла как по
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
Рис. |
17.22. |
Механоэлектромагнитный |
Рис. |
17.23. Хемиэлектромагнитный эф |
||||||
эффект. Вновь образующиеся носители, |
фект. |
Вновь |
образующиеся |
носители, |
||||||
которые освобождаются |
парами под |
которые |
освобождаются парами |
под |
||||||
действием механической |
деформации, |
действием различных химических |
про |
|||||||
удаляются от места своего возникнове |
цессов, удаляются от места своего |
|||||||||
ния, |
стремясь сохранить |
характерную |
возникновения, |
стремясь |
сохранить |
|||||
заселенность |
носителей. Приложенные |
характерную |
заселенность |
носителей. |
||||||
к ним силы Лоренца создают градиент |
Приложенные к ним силы Лоренца |
|||||||||
потенциала, |
перпендикулярный |
создают |
градиент |
потенциала, перпен |
||||||
направлению |
их движения (обозначе |
дикулярный направлению их движения |
||||||||
ния для электронов и дырок те же, |
(обозначения для электронов и дырок |
|||||||||
что и на рис. |
17.2) |
|
те же, что и на рис. 17.2) |
|
|
|||||
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