홀 효과
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1. 개요
홀 효과는 전류가 흐르는 도체 또는 반도체에 자기장을 가했을 때, 전하 운반체가 로렌츠 힘에 의해 휘어져 전압이 발생하는 현상이다. 에드윈 홀이 1879년에 발견했으며, 전하 운반체의 밀도와 자기장을 측정하는 데 사용된다. 홀 효과는 강자성체에서 자화에 의존하는 이상 홀 효과, 자기장이 필요 없는 스핀 홀 효과, 양자화된 전기 전도도를 보이는 양자 홀 효과, 그리고 양자 스핀 홀 효과 등으로 확장되었다. 홀 센서는 다양한 감지 응용 분야에 활용되며, 코르비노 효과는 홀 효과와 관련된 또 다른 현상이다. 플라스마에서도 홀 효과가 나타나며, 반도체 나노구조에서 엑시톤과 엑시톤-폴라리톤을 기반으로 한 홀 효과 연구도 진행되고 있다.
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- 홀 효과 - 에드윈 홀
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양자 홀 효과는 강한 자기장과 저온의 2차원 전자계에서 홀 전도율이 기본 상수의 정수배 또는 분수배로 양자화되는 현상으로, 정수 양자 홀 효과는 전기 저항 표준 및 미세 구조 상수 결정에 활용되며, 분수 양자 홀 효과는 전자 간 상호작용에 의해 발생하고, 란다우 준위 등의 개념으로 설명되며 위상 물질 연구 등에 응용된다. - 반도체 - N형 반도체
N형 반도체는 전자를 주된 전하 운반체로 사용하는 반도체이다. - 반도체 - 띠구조
띠구조는 결정 내 전자의 에너지 범위를 나타내는 개념으로, 에너지 띠와 띠틈으로 구성되며, 도체, 절연체, 반도체의 전기적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. - 응집물질물리학 - 띠구조
띠구조는 결정 내 전자의 에너지 범위를 나타내는 개념으로, 에너지 띠와 띠틈으로 구성되며, 도체, 절연체, 반도체의 전기적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. - 응집물질물리학 - 절연체
절연체는 전기 전도성을 막아 전기의 흐름을 제어하고 안전을 확보하며, 밴드 이론에 따라 큰 띠틈을 가져 외부 전압이 띠틈을 넘어서면 절연 파괴가 발생하며, 유리에서 세라믹, 고분자 복합 재료 등으로 제작되어 전선, 케이블 등 다양한 분야에 사용된다.
홀 효과 | |
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지도 정보 | |
기본 정보 | |
이름 | 홀 효과 |
로마자 표기 | hol hyogwa |
영어 이름 | Hall effect |
일본어 이름 | ホール効果 |
개요 | |
정의 | 전하를 띤 입자가 자기장 속에서 운동할 때 자기장에 수직한 방향으로 힘을 받아 전위차가 발생하는 현상 |
발견자 | 에드윈 홀 |
발견 연도 | 1879년 |
원리 | |
작동 원리 | 자기장 내에서 움직이는 전하가 받는 힘 (로렌츠 힘)에 의해 발생 |
관련 개념 | 로렌츠 힘, 자기장, 전하 |
사용 물질 | 반도체, 금속 등 |
응용 분야 | |
주요 응용 분야 | 홀 효과 센서 자기장 측정 전류 측정 비접촉 스위치 회전 속도 측정 위치 센서 |
추가 응용 | 반도체 물성 연구 지구 자기장 측정 플라즈마 연구 |
상세 설명 | |
작용 메커니즘 | 전류가 흐르는 도체를 자기장에 수직으로 놓을 때, 전하 운반자는 로렌츠 힘을 받아 도체의 한쪽 면으로 쏠림 |
전위차 | 도체 양면에 전위차가 발생하며, 이를 홀 전압이라 함 |
홀 효과의 크기 | 자기장 세기 및 전류 세기에 비례 |
홀 계수 | 전하 운반자의 밀도에 반비례 |
관련 인물 | |
관련 과학자 | 에드윈 홀 |
연구 논문 | On a New Action of the Magnet on Electric Currents |
연구 저널 | American Journal of Mathematics |
논문 발표 연도 | 1879년 |
기타 | |
추가 정보 | 홀 효과는 반도체 물성 연구에 중요하게 활용 홀 효과 센서는 다양한 산업 분야에서 널리 사용 |
참고자료 | Hall effect - Encyclopedia Britannica |
2. 역사
앙드레마리 앙페르는 1820년대에 홀 효과의 기저 메커니즘을 관찰했다.[3] 그러나 제임스 클러크 맥스웰의 "물리적 힘의 선에 관하여"(1861~1862년 출판)에 의해 전자기학에 대한 견고한 수학적 기반이 체계화될 때까지 자석과 전류 사이의 상호 작용에 대한 세부 사항을 이해할 수 없었다.
에드윈 홀은 자기장이 도체와 ''또는'' 전류와 상호 작용하는지 여부를 탐구했고, 만약 힘이 특히 전류에 작용한다면 전류를 도선의 한쪽으로 몰아 작은 측정 가능한 전압을 생성해야 한다고 추론했다.[3] 1879년, 그는 메릴랜드주 볼티모어의 존스 홉킨스 대학교에서 박사 학위 논문 작업을 하던 중 이 ''홀 효과''를 발견했다.[4] 전자가 발견되기 18년 전, 그가 사용한 장치에서 생성된 미세한 효과에 대한 그의 측정은 실험적인 뛰어난 업적이었으며, "자석의 전류에 대한 새로운 작용에 관하여"라는 제목으로 발표되었다.[5][6][7]
3. 이론
홀 효과는 1879년 에드윈 홀이 존스 홉킨스 대학교에서 박사 학위 논문 작업을 하던 중 발견했다.[4] 이는 전자가 발견되기 18년 전의 일이었다.[5][6][7]
홀 효과는 도체나 반도체 내에서 전류가 흐를 때, 전하 운반체가 받는 로렌츠 힘에 의해 발생한다. 자기장이 없을 때는 전하 운반체가 거의 직선 경로로 이동하지만, 자기장이 가해지면 경로가 휘어져 재료의 한쪽 면에 전하가 축적된다. 전하의 분리는 전기장을 생성하고, 이 전기장이 로렌츠 힘과 평형을 이루어 안정적인 전위차(홀 전압)가 유지된다.[10][11]
전하 운반체가 한 종류(전자 또는 정공)일 경우, 홀 전압 ''VH''는 다음과 같이 표현된다.
:
여기서 ''I''는 판 위로 흐르는 전류, ''B''는 수직으로 걸린 자기장, ''t''는 판의 두께, ''e''는 전자의 전하, ''n'' 은 전하 운반자 밀도다.
홀 계수(RH)는 다음과 같이 정의된다.
:
여기에서 ''j''는 전하를 운반하는 전자의 전류 밀도이고, 는 유도된 전기장이다. SI단위를 사용할 때 이는
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가 된다.
따라서, 홀 효과는 전하 운반자 밀도나 자기장을 측정하는데 유용하다.
강자성체 금속 등 자화를 띤 물질에서는 자화에 기인하는 홀 전압이 발생하는 경우가 있는데, 이를 이상 홀 효과라고 부른다. 또한, 물질 내의 스핀 궤도 상호 작용으로 인해 반대 방향의 스핀을 가진 캐리어가 반대 방향으로 산란되는 스핀 홀 효과도 최근 주목받고 있다.
3. 1. 전자가 다수 캐리어인 경우 (n형 반도체)
단일 유형의 전하 운반자(전자)만 있는 단순한 금속의 경우, 정상 상태 조건에서 전하는 y축 방향으로 움직이지 않는다. 따라서 y축 방향의 각 전자에 대한 자기력은 전하 축적으로 인한 y축 전기력에 의해 상쇄된다. 항은 관례적으로 정공으로 간주되는 전류의 표류 속도이다. 항은 오른손 법칙에 따라 y축 방향에서 음수이다.
:
정상 상태에서 이므로, 이다. 여기서 는 y축 방향으로 할당되고 (이미지의 유도 전기장 의 화살표와는 다르게, 방향을 가리키며 전자가 생성하는 전기장이 가리키는 방향을 알려준다).
전선에서는 정공 대신 전자가 흐르므로 및 이다. 또한 이다. 이러한 변화를 대입하면
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기존의 "정공" 전류는 전자 전류의 반대 방향이며 전하의 음수이므로 이다. 여기서 은 전하 운반자 밀도, 는 단면적, 는 각 전자의 전하이다. 를 풀고 위에 대입하면 홀 전압이 된다.
:
만약 전하 축적이 양전하였더라면 (일부 금속과 반도체에서 보이는 것처럼), 이미지에 할당된 는 음수였을 것이다 (양전하는 왼쪽에 축적되었을 것이다).
홀 계수는 다음과 같이 정의된다.
:
또는
:
여기서 는 운반 전자의 전류 밀도이고, 는 유도 전기장이다. SI 단위에서 이것은 다음과 같이 된다.
:
(의 단위는 일반적으로 m3/C 또는 Ω·cm/G 또는 다른 변형으로 표현된다.) 결과적으로 홀 효과는 운반자 밀도 또는 자기장을 측정하는 매우 유용한 수단이다.
P형 또는 N형 반도체 시료에 x축 방향으로 전류를 흘리고, z축 방향으로 자기장을 건다. 이때 시료를 흐르는 하전 입자(캐리어)는 자기장에 의한 로렌츠 힘을 받아 y축 방향으로 가속된다. 이로 인해 시료의 표면에 캐리어가 쌓이고, 전류와 자기장 모두에 직교하는 방향으로 전기장('''홀 전기장''')이 발생하여 기전력이 발생한다. 홀 효과는 홀 소자를 이용한 자기장 검출 외에도 반도체의 전기적 특성 측정에 응용된다. 홀 전압의 부호와 크기로부터 반도체의 캐리어 종류와 밀도를 알 수 있다. 또한, 금속은 반도체에 비해 캐리어 밀도가 크고 홀 전압이 미소한 값이 되므로, 이 현상을 이용한 물성 측정은 반도체가 주이다.
3. 2. 정공이 다수 캐리어인 경우 (p형 반도체)
P형 반도체 시료에 x축 방향으로 전류를 흘리고, z축 방향으로 자기장을 걸면, 시료를 흐르는 정공(캐리어)은 자기장에 의한 로렌츠 힘을 받아 y축 방향으로 가속된다. 정공은 전자의 빈자리로, 양전하를 띤 입자처럼 행동한다.[13] 이로 인해 시료의 표면에 캐리어가 쌓이고, 전류와 자기장 모두에 직교하는 방향으로 전기장('''홀 전기장''')이 발생하여 기전력이 발생한다. 이때 홀 전압의 극성은 전자가 다수 캐리어인 경우와 반대이다.
홀 효과는 홀 소자를 이용한 자기장 검출 외에도 반도체의 전기적 특성 측정에 응용된다. 홀 전압의 부호와 크기로부터 반도체의 캐리어 종류와 밀도를 알 수 있다.
3. 3. 반도체에서의 홀 효과
반도체에서는 전자와 정공이 모두 전도에 기여할 수 있으므로, 홀 계수는 더 복잡한 형태로 나타난다.[15][16] 중간 정도의 자기장에서 홀 계수는 다음과 같이 주어진다.
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또는
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여기서
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시료에 그림과 같이 x방향으로 전류를 흘리면서, 이와 수직인 z방향으로 자기장을 가하면, 자기장 속을 움직이는 캐리어는 로렌츠 힘을 받는다. 캐리어의 전하를 q, 속도를 v라 하면 로렌츠 힘 은 다음과 같다.
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시료 내에 전류가 흐르는 경우, 캐리어는 평균적으로 일정한 속도로 x방향으로 진행되므로, 평균적으로 y방향으로 다음과 같은 힘을 받아 가속한다.
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그러면, 정공이 다수 캐리어인 경우(p형 반도체), 면 B에 정공이 쌓이고, 양으로 대전한다. 반대로 면 A는 정공 부족이 되어 음으로 대전한다. 또, 전자가 다수 캐리어인 경우(n형 반도체), 면 B에 전자가 쌓이고, 음으로 대전한다. 반대로 면 A는 전자 부족이 되어 양으로 대전한다. 따라서, y방향에 전기장 Ey가 발생한다. 이 전기장 Ey를 홀 전기장이라고 한다.
캐리어가 y방향의 전기장 성분으로부터 받는 힘 qEy와 로렌츠 힘 의 y성분이 상쇄되어 평형 상태가 된다. 그때, 홀 전기장 Ey는 다음과 같이 결정된다.
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캐리어가 한 종류인 경우, x방향의 전류 밀도 jx는 n을 캐리어 밀도라고 하면 다음과 같이 쓸 수 있다.
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위 식과 식으로부터 를 소거하면 다음과 같다.
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를 '''홀 계수''' (Hall coefficient)라고 한다. 홀 계수를 측정함으로써, 캐리어의 종류와 밀도를 결정할 수 있다.
또, 전류 Ix는, 시료의 두께를 t, 폭을 b라 하면 다음과 같다.
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따라서, A면을 기준으로 한 B면의 전위(홀 전압 VH)는 위 식들로부터 다음과 같이 주어진다.
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일반적으로 캐리어 밀도를 n, 캐리어의 전하를 e로 하면 다음과 같은 관계가 있다.
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여기서 rH는 홀 인자(홀 산란 인자)라고 불린다.
전류 방향의 전기장을 Ej로 하여, 다음을 '''홀 각''' (Hall angle)이라고 부른다.
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또, 전기 전도도 σ와 홀 계수 R의 곱을 '''홀 이동도''' (Hall mobility)라고 부른다. 여기서 μ는 드리프트 이동도이다.
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4. 이상 홀 효과 (Anomalous Hall effect)
강자성체(자기장 내의 상자성체)에서 홀 저항률은 물질의 자화에 직접적으로 의존하며, 일반적인 홀 효과보다 훨씬 큰 추가적인 기여인 '''이상 홀 효과'''(또는 '''특이 홀 효과''')를 포함한다.[22] (이 효과는 자화가 총 자기장에 기여하는 것과는 ''다름''에 유의한다.) 예를 들어, 니켈에서 비정상 홀 계수는 퀴리 온도 근처에서 일반적인 홀 계수보다 약 100배 더 크지만, 매우 낮은 온도에서는 두 계수가 비슷하다.[22] 이는 잘 알려진 현상이지만, 다양한 물질에서 그 기원에 대해서는 여전히 논쟁이 있다. 비정상 홀 효과는 전하 운반자의 스핀 의존 산란으로 인한 외재적(무질서 관련) 효과이거나, 결정 운동량 공간(k-공간)에서 베리 위상 효과라는 용어로 설명할 수 있는 내재적 효과일 수 있다.[23]
강자성체 금속 등 자화를 띤 물질에서는 이 자화에 기인하는 홀 전압이 발생하는 경우가 있는데, 이를 특히 이상 홀 효과라고 부른다.
5. 스핀 홀 효과 (Spin Hall effect)
미하일 디아코노프(Mikhail Dyakonov)와 V. I. 페렐(V. I. Perel)이 1971년에 예측한 현상으로, 전류가 흐르는 시료의 측면 경계에 스핀이 축적되는 현상이다. 스핀 홀 효과는 자기장이 필요하지 않다는 특징이 있다.[20] 30년 이상이 지난 후 반도체와 금속에서 실험적으로 관찰되었으며, 저온 및 상온에서 모두 관찰되었다.
스핀 홀 효과의 세기는 스핀 홀 각(Spin Hall angle)으로 나타내며, 다음과 같이 정의된다.
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