Hall-Winkel

Der Hall-Winkel ist ein charakteristischer Winkel beim Hall-Effekt, zwischen dem äußeren elektrischen Feld $\mathbf E_{\mathrm{ext}}$ und dem Gesamtfeld $\mathbf E=\mathbf E_{\mathrm{ext}}+\mathbf E_H$, wobei $\mathbf E_H$ das Hall-Feld ist.

Theorie

Die Definition des Hall-Winkels beruht auf folgenden, in nebenstehender Abbildung veranschaulichten Gegebenheiten: Senkrecht zu der stromleitenden Schicht steht das Magnetfeld $\mathbf B=(0,0,B_z)$. In der Ebene der Schicht herrscht das elektrische Feld $\mathbf E_{\mathrm{ext}}=(E_x,0,0)$ vor, das durch eine extern angelegte Spannung erzeugt wird und das hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit in die negative x-Richtung zeigt. Um homogene Stromdichten und Felder voraussetzen zu können, wird angenommen, dass die Probe viel breiter als hoch ist. Weiterhin beschränkt sich die Darstellung hier auf Elektronen. Durch Akkumulation von Ladungsträgern an den Rändern der Probe entsteht das Hall-Feld $\mathbf E_H=(0,E_y,0)$, das der von der Lorentz-Kraft verursachten Drift der Elektronen entgegenwirkt. Die Driftgeschwindigkeit $\mathbf v=(v_x,v_y,0)$ der Rotationszentren der sich auf Spiralen bewegenden Elektronen steht senkrecht auf dem Gesamtfeld $\mathbf E$. Die Stromdichte $\mathbf j$ ist dann wegen der negativen Ladung der Elektronen genau der Driftgeschwindigkeit entgegengerichtet.

Für den Hall-Winkel gilt nun:

$\tan \theta_H=\frac{E_y}{E_x}=\frac{v_xB_z}{E_x}= \frac{-\mu E_xB_z}{E_x}=-\mu B_z$.

Hierbei wurde verwendet, dass für das Hall-Feld E_y = v_xB_z gilt und dass die Driftgeschwindigkeit in x-Richtung durch die Beweglichkeit μ und das äußere elektrische Feld E_x bestimmt ist, nämlich gemäß der Beziehung v_x = − μE_x.

Ohne Magnetfeld (B_z = 0) verschwindet das Hall-Feld E_y und das Gesamtfeld $\mathbf E$ fällt mit dem äußeren Feld $\mathbf E_{\mathrm{ext}}$ zusammen (Θ_H = 0). Für ein endliches Magnetfeld mit B_z > 0 dreht sich das Gesamtfeld mit einem negativen Drehwinkel (also im Uhrzeigersinn) aus der Horizontalen.

Experimentelle Untersuchung

In kurzen breiten Proben konnte der Hall-Winkel mittels der Verkippung von Stromfilamenten in hochreinen Halbleiterschichten in Photolumineszenzbildern direkt fotografiert werden.