题目内容

(2006?东城区一模)半导体材料硅中掺砷后成为N型半导体,它的自由电子的浓度大大增加,导电能力也大大增加.一块N型半导体的样品的体积为a×b×c,A’、C、A、C’为其四个侧面,如图所示.已知半导体样品单位体积中的电子数为n,电阻率为ρ,电子的电荷量为e.将半导体样品放在匀强磁场中,磁场方向沿Z轴正方向,并沿x方向通有电流I.求:
(1)加在半导体A’A两个侧面的电压是多少?
(2)半导体中的自由电子定向移动的平均速率是多少?
(3)C、C’两个侧面哪个面电势较高?
(4)若测得C、C’两面的电势差为U,匀强磁场的磁感应强度是多少?
分析:(1)根据电阻定律和部分电路欧姆定律可以求出A、A′之间的电压;
(2)由电流的微观表达式:I=nesv,求出电子定向移动的速率;
(3)金属导体中移动的是自由电子,当电流的方向沿x方向时,电子向沿-x方向定向移动,受到洛伦兹力发生偏转,根据电子偏转到哪一表面判断电势的高低.
(4)当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时,根据电场力与洛伦兹力平衡,结合电流I=nevS,推导出U的大小与I和B以及元件厚度b之间的关系,即可求得磁感应强度B.
解答:解:(1)沿x方向的电阻 R=ρ
c
ab

加在A、A′的电压为 U0=IR=ρ
cI
ab

(2)电流I是大量自由电子定向移动形成的,由I=n
.
v
abe得,电子的定向移动的平均速率为
.
v
=
I
nabe
.
(3)自由电子在磁场中受洛伦兹力后,向C′侧面方向偏转,因此C′侧面有多余的负电荷,C侧面有多余的正电荷,建立了沿y轴负方向的匀强电场,C侧面的电势较高.
(4)自由电子受到的洛伦兹力与电场力平衡时,有
  q
U
b
=q
.
v
B
则磁感应强度 B=
U
b
.
v
=UnaeI
答:
(1)加在半导体A’A两个侧面的电压是ρ
cI
ab
.
(2)半导体中的自由电子定向移动的平均速率是
I
nabe
.
(3)C侧面的电势较高.
(4)若测得C、C’两面的电势差为U,匀强磁场的磁感应强度是
Unae
I
.
点评:本题考查对霍耳效应的理解和分析能力,关键掌握左手定则判定洛伦兹力的方向,知道最终电子受电场力和洛伦兹力处于平衡.
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