Эффект Нернста — Эттингсгаузена

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Эффект Нернста — Эттингсгаузена, или поперечный эффект Нернста — Эттингсгаузена — термомагнитный эффект, наблюдаемый при помещении полупроводника, в котором имеется градиент температуры, в магнитное поле. Данный эффект был открыт в 1886 году В. Нернстом и А. Эттингсгаузеном (A. von Ettingshausen). В 1948 году эффект в металлах получил свое теоретическое обоснование в работе Зондхаймера[1]

Иллюстрация к эффекту Нернста — Эттингсгаузена.png

Суть эффекта состоит в том, что в полупроводнике появляется электрическое поле \mathbf{E}, перпендикулярное к вектору градиента температур \nabla T и вектору магнитной индукции \mathbf{B}, то есть в направлении вектора [\nabla T,\;\mathbf{B}]. Если градиент температуры направлен вдоль оси X, а магнитная индукция — вдоль Z, то электрическое поле параллельно вдоль оси Y. Поэтому между точками a и b (см. рис.) возникает разность электрических потенциалов u. Величину напряжённости электрического поля E_y можно выразить формулой:

E_y=\frac{u}{d}=q_\bot B_z\frac{dT}{dx},

где q_\bot — так называемая постоянная Нернста — Эттингсгаузена, которая зависит от свойств полупроводника и может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Например, в германии с удельным сопротивлением ~ 1 Ом/см при комнатной температуре, при B\sim 10^3 Гс и dT/dx\sim 10^2 К/см наблюдается электрическое поле E_y\sim 10^{-2} В/см. Значение постоянной q_\bot, а следовательно и E_y, сильно зависят от температуры образца и от магнитного поля и при изменении этих величин могут даже изменять знак.

Поперечный эффект Нернста — Эттингсгаузена возникает по той же причине, что и эффект Холла, то есть в результате отклонения потока заряженных частиц силой Лоренца. Различие, однако, заключается в том, что при эффекте Холла направленный поток частиц возникает в результате их дрейфа в электрическом поле, а в данном случае — в результате диффузии.

Существенным отличием является также тот факт, что, в отличие от постоянной Холла, знак q_\bot не зависит от знака носителей заряда. Действительно, при дрейфе в электрическом поле изменение знака заряда приводит к изменению направления дрейфа, что и даёт изменение знака поля Холла. В данном же случае поток диффузии всегда направлен от нагретого конца образца к холодному, независимо от знака заряда частиц. Поэтому направления силы Лоренца для положительных и отрицательных частиц взаимно противоположны, однако направление потоков электрического заряда в обоих случаях одно и то же.

Продольный эффект Нернста — Эттингсгаузена[править | править исходный текст]

Продольный эффект Нернста — Эттингсгаузена заключается в изменении термоэдс металлов и полупроводников под влиянием магнитного поля.

В отсутствие магнитного поля термоэдс в электронном полупроводнике определяется разностью компонент скоростей быстрых электронов (движущихся с горячей стороны) и медленных электронов (движущихся с холодной стороны) вдоль градиента температуры.

При наличии магнитного поля продольные (вдоль градиента температуры) и поперечные (поперек градиента температуры) компоненты скоростей электронов изменяются в зависимости от угла поворота скорости электронов в магнитном поле, определяемого временем свободного пробега электронов \tau в металле или полупроводнике.

Если время свободного пробега \tau для медленных электронов или дырок (в полупроводниках) больше, чем для быстрых, то \frac{v_{1x}(H)}{v_{1x}(0)}>\frac{v_{2x}(H)}{v_{2x}(0)}, где v_{1x}(H),\;v_{2x}(H) — продольные компоненты скоростей медленных и быстрых электронов при наличии магнитного поля, v_{1x}(0),\;v_{2x}(0) — продольные компоненты скоростей медленных и быстрых электронов при отсутствии магнитного поля. Величина термоэдс в магнитном поле, пропорциональная разности v_{2x}(H)-v_{1x}(H) будет больше, чем в отсутствие магнитного поля при разности v_{2x}(0)-v_{1x}(0). И, наоборот, если время свободного пробега \tau для медленных электронов меньше, чем для быстрых, наличие магнитного поля уменьшает термоэдс.

В электронных полупроводниках термоэдс в магнитном поле увеличивается, если время свободного пробега \tau уменьшается с увеличением энергии электрона (при рассеянии на акустических фононах).

В электронных полупроводниках термоэдс в магнитном поле уменьшается, если время свободного пробега \tau увеличивается с увеличением энергии электрона (при рассеянии на ионизированных атомах примеси).[2]

Литература[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Sondheimer E. H. The Theory of the Galvanomagnetic and Thermomagnetic Effects in Metals // Proceedings of the Royal Society A. — July 21, 1948. — №193. — pp. 484-512; DOI:10.1098/rspa.1948.0058.
  2. Аскеров Б. М. Кинетические эффекты в полупроводниках. — Л.: Наука, 1970.

См. также[править | править исходный текст]