Магнетосопротивление

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Магнетосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение сопротивления материала в магнитном поле.

В полупроводниках относительное изменение сопротивления в 100—10 000 раз больше, чем в металлах, и может достигать сотен процентов.

[править] История

Впервые эффект был обнаружен в 1857 Вильямом Томсоном.

[править] Качественное объяснение эффекта

Пусть через образец проходит ток $j$ вдоль оси $x$ . Без магнитного поля носители заряда движутся прямолинейно и между двумя столкновениями проходят путь, равный длине свободного пробега $l$ .

Во внешнем магнитном поле $B$ траектория будет представлять собой в неограниченном образце участок циклоиды длиной $l$ , и за время свободного пробега вдоль поля $E$ частица пройдет путь меньший, чем $l$ , а именно

$l_x \approx l\cos\phi \approx l (1-\frac{\mu^2B^2}{2})$

Поскольку за время свободного пробега $τ$ частица проходит меньший путь вдоль поля $E$ , то это равносильно уменьшению дрейфовой скорости, или подвижности, а тем самым и проводимости, то есть сопротивление должно возрастать. При учете статического разброса времен (и длин) свободного пробега, получим

$\frac{\Delta\rho}{\rho} = \mu^2B^2$

В ограниченном образце холлово поле компенсирует действие магнитного поля, в результате чего носители заряда движутся прямолинейно, поэтому магнетосопротивление с этой точки зрения должно отсутствовать. На самом деле оно имеет место и в этом случае, поскольку холлово поле компенсирует действие магнитного поля лишь в среднем, как если бы все носители заряда двигались с одной и той же (дрейфовой) скоростью. Однако скорости электронов (и дырок) различны, поэтому на частицы, движущиеся со скоростями, большими средней скорости, сильнее действует магнитное поле, чем холлово. Наоборот, более медленные частицы отклоняются под действием превалирующего холлова поля. В результате разброса частиц по скоростям уменьшается вклад в проводимость быстрых и медленных носителей заряда, что приводит к увеличению сопротивления, но в значительно меньшей степени, чем в неограниченном образце.

Эффект магнетосопротивления оказывается чувствительным к форме образца. Неограниченный образец можно моделировать в виде диска (диск Корбино). Так как ток имеет радиальный характер, то отклонение носителей заряда под действием магнитного поля происходит в перпендикулярном к радиусу направлении, поэтому не происходит разделения и накопления зарядов, и холлово поле не возникает.

Если магнитное поле направлено вдоль j, то в этом случае изменения сопротивления не должно было бы быть. Однако в ряде веществ магнетосопротивление наблюдается, что объясняется сложной формой изоэнергетических поверхностей.

[править] Отрицательное магнетосопротивление

В некоторых веществах при определенных условиях наблюдается увеличение проводимости при наложении магнитного поля; это явление называется отрицательным магнетосопротивлением.