что это, зачем используется и где применяется / Хабр

Измерять характеристики магнитного поля можно как при помощи элементарных систем, так и посредством весьма сложных технологических решений. Все зависит от того, какие именно измерения выполняются и какие результаты ожидается получить. Самые простые датчики магнитного поля — герконы. Эти элементы изменяют состояние подключенной электрической цепи при воздействии магнитного поля. Герконы используются повсеместно, например, в датчиках открытия двери.

Герконы — очень простые системы. Для получения дополнительной информации о магнитном поле можно использовать еще и компас. Примерно так работали первые магнитометры. Но сейчас возможностей гораздо больше, ведь появились новые системы, включая распространенные датчики, где используется эффект Холла.

Спектр моделей таких датчиков чрезвычайно обширен — от клавиатур до оценки закрытия или открытия клапана. Датчики Холла используются в бесконтактной системе зажигания бензиновых двигателей, они служат для считывания показаний распредвала двигателя, с тем, чтобы определять параметры вращения. Электронный блок управления автомобиля по показаниям датчика определяет исправность системы зажигания и старта.

История появления датчика

Все началось с работы Эдвина Холла, который обнаружил эффект, позже названный его именем, в 1878 году. Основная идея проста: при воздействии магнитного поля на проводник, по которому проходит электрический ток, на концах проводника возникает разность напряжений при протекании тока, перпендикулярного полю.

Этот эффект называют обычным эффектом Холла, поскольку есть и другие явление, которое базируются на взаимодействии проводника, тока и магнитного поля.

Соответственно, датчики, чья работа основывается на эффекте Холла — лишь одна из разновидностей современных магнитометров. Есть множество разных датчиков других типов, где используются приемные катушки индуктивности. Они могут вращаться ил инет, используются также шкалы или пружины для измерения силы магнитного поля. Обнаружить магнитное поле можно даже при помощи оптических свойств материалов и соответствующих эффектов — например, эффекта Керра или Фарадея.

Есть и весьма специфические датчики, которые можно назвать экзотикой. Они основываются на измерении протонного резонанса в богатых водородом соединениях и веществах вроде керосина, либо определении энергетического состояния молекул газов типа цезия. Есть и датчики со сверхпроводящими катушками.

Но именно датчики на эффекте Холла являются наиболее недорогими, имеют небольшой размер и весьма практичны. Как уже говорилось выше, миниатюрные датчики Холла используются в клавиатурах. Сложно представить клавиатуру, основа которой — сверхпроводящие датчики, прикрепленные к нижней части клавиш.

Датчики Холла — идеальный вариант при создании систем контроля частоты вращения чего-либо, от кулеров до двигателей в технике. Датчики использовались в видеомагнитофонах и кассетных магнитофонах класса «люкс». Пример — Вега- МП122.

Используются датчики Холла и в смартфонах для решения самых разных задач, включая:

• Работа цифрового компаса, который применятся в навигационных программах и помогает повышать скорость позиционирования.
• Оптимизация взаимодействия девайса с разными аксессуарами, например, магнитными чехлами.
• Применение датчика в моделях с раскладной конструкцией, для включения и отключения экрана при открывании или закрывании крышки.

Как это работает?

В сети есть многочисленные видео, объясняющие физические принципы, лежащие в основе эффекта Холла. Но понять можно и без всяких видео — здесь все относительно просто. Представьте себе проводник размером и формой повторяющий денежную купюру. Левая и правая сторона подключены к источнику постоянного тока, который и проходит через проводник. Если проводник исправен, то без воздействия магнитного поля напряжение в верхней и нижней части проводника будет близким к нулю.

Но если в системе появится магнитное поле, линии которого расположены под прямым углом к течению тока, на электроны и дырки в проводнике начинает воздействовать сила Лоренца. Частицы начинают отклоняться. Соответственно, электроны соберутся на одной стороне проводника, а на другой их не будет.

При помощи мультиметра можно измерить напряжение на верхней и нижней частях проводника. Если убрать магнитное поле, то напряжение снова станет почти равным нулю.

В устройствах, где используется эффект Холла, добавляется еще одна схема, где обычно присутствует усилитель холловского напряжения. Иногда есть регулятор напряжения смещения. У цифрового выходного датчика может быть компаратор и выходной транзистор.

Все датчики — разные

Есть две основные разновидности датчиков Холла — это цифровые датчики, которые, в свою очередь, разделяются на униполярные и биполярные. А также аналоговые датчики.

Если вы хотите использовать датчик Холла в своем проекте, нужно детально разобраться в его базовых характеристиках. У датчиков есть ограничения по частотному диапазону, плюс некоторые могут быть весьма дорогими. Например, у компании Melexis есть девайс на 250 кГц, эта частота гораздо более высокая, чем у большинства похожих систем. Работать оно будет только при 5В и 15 мА.

В примере даташита показано, что есть две разновидности этого датчика — 7,5 mT (миллитесла), второй — 20 mT. Есть даже версия с 60 mT.

Датчики Холла могут быть встроены в электронные схемы. Например, у ESP32 есть собственный датчик Холла, как показано на видео выше.

Разработка систем на основе эффекта Холла

Как и было показано выше, придумать можно много чего. В качестве примера можно привести еще портативный магнетометр, плата которого умещается в пластиковую коробочку из-под Tic Tac. С его помощью можно облегчить задачу отслеживания проложенной в стене или потолке электропроводки. Еще один пример — мониторинг кофе-машин, с целью оценки количества приготовленных чашек кофе.

Эффект Холла и его применение

После проведения эксперимента в 1879 году Эдвином Холлом при пропускании магнитного потока через тонкую пластину из золота было обнаружено возникновение на краях пластины разности потенциалов, то есть образовался эффект Холла.

В чем заключается эффект Холла

Определение 1

При помещении в магнитное поле пластины-проводника или полупроводника под 90 °к направлению силовых линий магнитного потока произойдет перемещение электронов по поперечине пластины под действием силы Лоренца. Их направление зависит от того, в какую сторону идет сила тока и силовые линии магнитного потока. Иначе говоря, (ЭХ) эффект Холла – это частный случай действия силы Лоренца, то есть действия магнитного поля на заряженную частицу.

Это можно рассмотреть на простейшем примере.

Пример 1

Если представить расположенную к нам торцом пластину, то ее кромка направлена вниз. Она сделана из металла, оба торца подключены к источнику питания, задний из которых на минус, передний на плюс.

Данный случай говорит о том, что электрический ток будет протекать по направлению к наблюдателю. Справа и слева от пластины располагаются два магнита. Правый из них обращен к пластине северным полюсом, левый – южным. Делаем вывод, что данный случай показывает направление силовых линий магнитного поля справа налево, так как они всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Силовые линии отклоняют электроны, которые проходят по пластине к ее верхней кромке.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

При изменении направления тока в пластине при помощи перемены местами проводников мы сможем наблюдать отклонение электронов вниз. Если направление не менять, а только лишь полюса магнитов, электроны начнут сдвигаться вниз. Когда применяются оба направления, сила Лоренца произведет их перемещение вверх.

Очевидно, что одна из кромок накапливает отрицательный заряд под действием силы Лоренца, на другая на противоположной стороне – положительный. Это говорит о наличии разности потенциалов между ними, то есть электрического напряжения. Увеличение этой разности будет происходить до тех пор, пока не уравновесит силу Лоренца.

Определение 2

Возникновение разности потенциалов в таких случаях, получило название напряжения Холла, которое можно рассчитать, используя формулу:

Uхолл=-IBet, где I является силой тока, B – вектором магнитной индукции, e – зарядом электрона, p – количеством электронов в единице объема, t – толщиной пластины.

Аномальный ЭХ

Имеются случаи, когда ЭХ может быть обнаружен в пластине без пропускания через нее магнитного потока. Это возможно при нарушении симметрии по отношению к обращению времени в системе. В частности, аномальный ЭХ способен проявляться в намагниченных материалах.

Квантовый ЭХ

Двумерные газы со средним расстоянием между частицами, уменьшенным до значения длины де Бройля на зависимости поперечного сопротивления к воздействию магнитного поля, подвержены возникновению плато сопротивления в поперечине. ЭХ квантуется только в сильных магнитных полях.

Магнитные потоки, обладающие больше силой индукции, имеют дробный квантовый ЭХ. Он взаимосвязан с перестроением внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый ЭХ

СЭХ можно наблюдать на не намагниченных проводниках, которые не переместили в поле действия силовых линий магнита. Суть эффекта – отклонение электронов с антипараллельными спинами к противоположным краям пластины.

Применение эффекта Холла

Применение метода Холла связано с изучением особенностей полупроводников. С его помощью стало возможным вычисление количества носителей заряда на единицу объема, а также их подвижность. При его использовании реально отличить электрон от квазичастицы с положительным зарядом.

ЭХ всегда считался основой для разработки датчиков Холла. Аппаратура предназначена для измерения напряженности магнитного поля. Их используют для построения моторов со следящим приводом. В моторах они исполняют роль датчика обратной связи. Они способны измерить угол поворота вала мотора.

Датчики Холла устанавливают в электростартерах ДВС, охлаждающих системах ПК, навигационных системах мобильных телефонов, в измерительных приборах для вычисления количества заряда.

что это такое и как применятся в автомобилях?

Недавно мы рассказывали на нашем сайте об устройстве и принципе работы трамблера — прерывателя-распределителя зажигания. На сегодняшний же день трамблер практически не применяется, вместо него установлены гораздо меньшие по размерам и более надежные бесконтактные системы зажигания, работа которых основана на эффекте Холла. Что это такое — попробуем разобраться в этой статье.

В контактных системах распределения зажигания за передачу заряда на каждую из свечей отвечает механический бегунок, который вращается вместе с ротором. Понятно, что механическая система уже по определению не может служить длительное время из-за целого ряда причин:

• износ элементов от трения;
• сгорание контактов под воздействием электрического тока и высоких температур;
• появление люфта, из-за чего приходится постоянно проводить настройку угла распределения зажигания или полностью заменять трамблер.

Однако конструкторы и инженеры постоянно ищут пути оптимизации, поэтому они решили задаться вопросом: каким еще способом можно распределять заряд между свечами, не прибегая к механическим устройствам. Их выбор пал на эффект Холла.

Эдвин Холл в 1879 году обратил внимание на интересное явление — если по проводнику движется электрический ток, то на направление его движения будет оказывать влияние магнитное поле. Говоря простыми словами, электроны будут двигаться перпендикулярно магнитному полю, соответственно на разных концах этого полупроводника можно будет создать разность потенциалов. Влияя же на направление магнитного поля, мы можем сказать, на каких концах данного проводника будет накапливаться электрический импульс.

Понятно, что мы привели приблизительное изложение сути данного эффекта. В учебниках же по физике детально описывается, как на величину потенциала будут влиять различные характеристики:

• сила Лоренца — сила, с которой магнитное поле влияет на отдельно взятый электрон;
• плотность тока;
• концентрация носителей заряда;
• напряженность электрического поля.

На основе всех этих данных была выведена константа Холла, которая определяет, как будет вести себя поток электронов в разных металлах.

Стоит отметить, что эффект Холла практического применения в те далекие времена XIX века не нашел, поскольку люди еще не научились создавать ни магнитные поля нужной напряженности, ни постоянный ток, ни тем более тонкие проводники. То есть в те времена это была чисто теоретическая проблема, которая открывала перед физиками возможности лучше познать устройство мира и его законы.

Применение

На сегодня ситуация коренным образом изменилась и данный эффект используют в самых разных сферах жизни:

• электроника;
• радиоэлектроника;
• моторостроение;
• промышленность и так далее.

Например, если вы скачаете на свой смартфон приложение типа «Компас», или оно у вас уже изначально установлено, то стрелка всегда будет указывать в сторону Северного Полюса как раз благодаря воздействию магнитного поля Земли на поток заряженных частиц. Но поскольку Vodi.su — это портал, посвященный автомобильной тематике, нас больше интересует применение эффекта в автомобилях.

Можно, например, сказать, что датчики, регистрирующие скорость вращения коленчатого вала или колес автомобиля, тоже работают на эффекте Холла.

Но основная область его применения — это система зажигания, и тут можно выделить несколько этапов:

• применение датчика Холла в составе трамблера, где он выполняет роль бегунка, то есть распределяет импульс на контакты разных свечей зажигания;
• датчик Холла применяется вместе с катушками зажигания — трамблера, как такового нет, имеется лишь одна катушка с двойной обмоткой и датчик, с отходящими проводами высокого напряжения к каждой свече;
• полностью бесконтактная система — для каждой свечи имеется своя катушка зажигания.

Ну а в наиболее современных автомобилях потребность в применении датчика Холла в качестве распределителя зажигания отпадает вовсе, к примеру в электронной системе за распределение заряда отвечает электронный блок управления, на который поступают сигналы от датчиков положения коленчатого и распределительного валов. Тем не менее эти датчики работают на основе эффекта Холла.

Загрузка…

Поделиться в социальных сетях

Эффект Холла — это… Что такое Эффект Холла?

Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

Свойства

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через металлический брус в слабом магнитном поле течёт электрический ток под действием напряжённости . Магнитное поле будет отклонять носители заряда (для определённости электроны) от их движения вдоль или против электрического поля к одной из граней бруса. При этом критерием малости^[1] будет служить условие, что при этом электрон не начнёт двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца:

Скорость электронов можно выразить через плотность тока:

где  — концентрация носителей заряда. Тогда

Коэффициент пропорциональности между и называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. Для некоторых металлов (например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам), в сильных полях наблюдается положительный знак , что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.

Аномальный эффект Холла

Случай появления напряжения (электрического поля) в образце, перпендикулярного направлению пропускаемого через образец тока, наблюдающегося в отсутствие приложенного постоянного магнитного поля (то есть явление, полностью аналогичное эффекту Холла, но наблюдающееся без внешнего постоянного магнитного поля), называется аномальным эффектом Холла.

Необходимым условием для наблюдения аномального эффекта Холла является нарушение инвариантности по отношению к обращению времени в системе. Например, аномальный эффект Холла может наблюдаться в образцах с намагниченностью^[2].

Квантовый эффект Холла

В сильных магнитных полях в плоском проводнике (то есть в квазидвумерном электронном газе) в системе начинают сказываться квантовые эффекты, что приводит к появлению квантового эффекта Холла: квантованию холловского сопротивления. В ещё более сильных магнитных полях проявляется дробный квантовый эффект Холла, который связан с кардинальной перестройкой внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый эффект Холла

В случае отсутствия магнитного поля в немагнитных проводниках может наблюдаться отклонение носителей тока с противоположными направлениями спинов в разные стороны перпендикулярно электрическому полю. Это явление, получившее название спинового эффекта Холла, было теоретически предсказано Дьяконовым и Перелем в 1971 году. Говорят о внешнем и внутреннем спиновых эффектах. Первый из них связан со спин-зависимым рассеянием, а второй — со спин-орбитальным взаимодействием.

Магнетосопротивление

Эдвин Холл проводил опыты в надежде обнаружить возрастание сопротивления проводника в магнитном поле, но в слабых полях не зарегистрировал его. Также оно не следует из теории металлов Друде, расчёты по которой приводились выше. Однако при более строгих расчётах и в сильных полях магнетосопротивление проявляется достаточно хорошо.

Применение

Датчик Холла, используемый для измерения силы тока в проводнике. В отличие от трансформатора тока, измеряет также и постоянный ток.

Эффект Холла, в некоторых случаях, позволяет определить тип носителей заряда (электронный или дырочный) в металле или полупроводнике, что делает его достаточно хорошим методом исследования свойств полупроводников.

На основе эффекта Холла работают датчики Холла: приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля. Датчики Холла получили очень большое распространение в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли ДПР (датчика положения ротора). ДПР реализует обратную связь по положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном ДПТ.

Также на основе эффекта Холла работают некоторые виды ионных реактивных двигателей.

См. также

Примечания

1. ↑ Критерий малости — внешние воздействия не разрушают присущих физической системе внутренних свойств, не осуществляют «насилия» над системой.
2. ↑ Naoto Nagaosa, Jairo Sinova, Shigeki Onoda, A. H. MacDonald and N. P. Ong Anomalous Hall effect (англ.) // Rev. Mod. Phys.. — 2010. — В. 2. — Т. 82. — С. 1539–1592.

Литература

• Абрикосов А. А. Основы теории металлов. — Москва: «Наука», главная редакция физико-математической литературы, 1987. — 520 с. — ISBN нет, ББК 22.37, УДК 539.21 (075.8)
• Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. — «Мир», 1979. — ISBN нет

Ссылки

Понятие и применение эффекта Холла

Добавлено 21 декабря 2015 в 08:00

Сохранить или поделиться

Эффект Холла был обнаружен Эдвином Холлом в 1879 году, но прошло много лет, прежде чем технологическое развитие позволило интегральным схемам в полной мере воспользоваться этим явлением. Сегодня микросхемы датчика Холла предлагают удобный способ для достижения точных измерений тока, которые обеспечивают электрическую изоляцию между путем измеряемого тока и измерительной цепью.

От Лоренца к Холлу

Эффект Холла является продолжением силы Лоренца, которая описывает силу, действующую на заряженные частицы – такие как электрон – движущиеся в магнитном поле. Если магнитное поле направлено перпендикулярно направлению движения электронов, на электрон действует сила, которая перпендикулярна и направлению движения, и направлению магнитного поля.

Эффект Холла относится к ситуации, в которой сила Лоренца действует на электроны, движущиеся в проводнике, так что разница потенциалов – или другими словами, напряжение – возникает между двумя сторонами проводника.

Следует отметить, что стрелки на втором рисунке показывают направления протекания обычного тока, а это означает, что электроны двигаются в противоположном направлении. Направление силы Лоренца определяется правилом правой руки, учитывающим направление движения электрона относительно магнитного поля. На первом рисунке электрон движется вправо, а сила Лоренца направлена вверх. На втором рисунке электроны движутся влево, а сила Лоренца направлена вниз, и, таким образом, отрицательный заряд накапливается на нижней стороне проводника. Результатом является разность потенциалом, которая возникает между верхней и нижней кромками проводника, с верхним краем более положительным по сравнению с нижним. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла:

\[U_{Холл}=-\frac{IB}{eρt}\]

Эта формула, которая применяется к токопроводящей пластине, говорит нам, что напряжение Холла зависит от величины тока (I), протекающего через проводник, от магнитной индукции (B), от элементарного заряда электрона (e), количества электронов в единице объема (ρ) и от толщины пластины (t).

Использование эффекта Холла

Напряжения, генерируемые с помощью эффекта Холла малы по отношению к воздействиям шума, смещения и температуры, которые, как правило, влияют на схему, и, таким образом, реальные датчики на основе эффекта Холла не были широко распространены до появления полупроводниковой технологии, позволившей создание компонентов с высокой степенью интеграции, которые включали в себя и элемент Холла, и дополнительную схему, необходимую для усиления напряжения Холла. Тем не менее, датчики на основе эффекта Холла ограничены в своей способности измерять небольшие токи. Например, чувствительность ACS712 от Allegro MicroSystems составляет 185 мВ/А. Это означает, что ток 10 мА создаст выходное напряжение только 1,85 мВ. Это напряжение может быть приемлемым, если у схемы низкий уровень шума, но, если в цепь протекания тока включить резистор 2 Ом, в результате можно получить напряжение 20 мВ, что значительно лучше.

Эффект Холла используется в различных датчиках; устройства, основанные на относительно простой связи между током, магнитным полем и напряжением, могут использоваться для измерения положения, скорости и напряженности магнитного поля. В данной статье мы сосредоточим внимание на устройствах, которые измеряют ток через напряжение Холла, генерируемое, когда магнитное поле, создаваемое измеряемым током, концентрируется в элементе датчика Холла.

Достоинства и недостатки

Характеристики у разных датчиков тока на основе эффекта Холла сильно отличаются, поэтому трудно суммировать достоинства и недостатки использования эффекта Холла относительно другого распространенного способа измерения тока; а именно, вставки прецизионного резистора в цепь протекания тока и измерения появившегося на нем падения напряжения с помощью дифференциального усилителя. В целом, датчики Холла ценятся за «невлияние» и обеспечение электрической изоляции между цепью протекания тока и измерительной цепью. Эти устройства рассматриваются как не оказывающие влияния потому, что в цепь протекания тока не вставляется какого-либо существенного сопротивления, и, таким образом, схема при проведении измерений ведет себя так же, как если бы датчика не было вовсе. Дополнительным преимуществом является то, что датчиком рассеивается минимальная мощность; это особенно важно при измерении больших токов.

Что касается точности, доступные в настоящее время датчики Холла могут достичь минимальной ошибки в 1%. Хорошо продуманный датчик на основе резистора может дать лучший результат, но одного процента, как правило, хватает при работе с большими токами/напряжениями, где и подходит использование датчиков Холла.

Недостатки датчиков Холла включают в себя ограниченный диапазон частот и высокую стоимость. ACS712 работает до 80 кГц, а диапазон Melexis MLX91208, который позиционируется, как «широкополосный», ограничивается верхней границей 250 кГц. Резистивный датчик тока с высокоскоростным усилителем, с другой стороны, может хорошо работать и мегагерцовом диапазоне. Кроме того, как обсуждалось выше, эффект Холла по своей природе имеет ограничение в отношении измерения малых токов.

Изоляция

Одно из главных преимуществ датчиков Холла заключается в электрической изоляции, которую в контексте проектирования схем и систем называют гальванической развязкой. Принцип гальванической развязки используется всякий раз, когда проект требует, чтобы две схемы связывались таким способом, который предотвращает любую возможность протекания между ними электрического тока. Простой пример, когда цифровой сигнал передается через оптоизолятор, который преобразует импульсы напряжения в импульсы света и таким образом передает данные оптическим способом, а не электрическим. Одной из основных причин для реализации гальванической развязки является предотвращение проблем, связанных с земляными контурами:

Основные принципы проектирования схем предполагают, что взаимосвязанные компоненты совместно используют общую точку земли, на которой предполагается 0 В. В реальной жизни, однако, «земля» состоит из проводников, имеющих ненулевое сопротивление, и эти проводники служат в качестве обратного пути протекания тока от схемы назад к источнику питания. Закон Ома напоминает нам, что ток и сопротивление дадут напряжение, и это падение напряжения в обратном пути означает, что «земля» в одной части схемы не точно такая же по потенциалу, как «земля» в другой части схемы. Эта разница в потенциалах земли может привести к проблемам, начиная от незначительных до катастрофических.

Для предотвращения протекания постоянного тока между двумя схемами используется гальваническая развязка, позволяющая успешно общаться схемам с различными потенциалами земли. Это особенно актуально для измерения токов: низковольтный датчик и обрабатывающая цепь могут понадобиться для контроля больших, изменяющихся в больших пределах токов, например, в цепи привода двигателя. Эти большие, быстро изменяющиеся токи приведут к значительным колебаниям напряжения в цепи обратного пути протекания тока. Датчик Холла позволяет системе контролировать ток привода и защитить схему высокоточного датчика от этих вредных колебаний земли.

Синфазное напряжение

Другое важное применение датчиков Холла заключается в измерении токов при работе с высокими напряжениями. В схеме резистивного датчика тока дифференциальный усилитель измеряет разницу между напряжениями на одной стороне резистора и на другой. Проблема возникает, когда эти напряжения велики по сравнению с потенциалом земли:

Реальные усилители имеют ограниченный «диапазон синфазности», что означает, что устройство не будет функционировать должным образом, разница между входными напряжениями мала, и очень велика разница между ними и землей. Диапазоны синфазных входных напряжений токоизмерительных усилителей, как правило, не выходят за пределы 80 или 100 В. С другой стороны, датчики Холла могут преобразовать ток в напряжение без связи с потенциалом земли в измеряемой цепи. Следовательно, пока напряжение не достаточно велико, чтобы вызвать физическое повреждение, синфазное напряжение не влияет на работу датчика Холла.

Оригинал статьи

Теги

Гальваническая развязкаДатчикДатчик токаДатчик ХоллаЗемляная петляИзмерениеИзмерение токаМагнитное полеЭлектрический токЭффект Холла

Сохранить или поделиться

Эффект Холла

Описание сути явления

Возникновение разности потенциалов в проводнике с током под воздействием магнитного поля называют эффектом Холла.

Электропроводность металлов зависит от концентрации электронов проводимости (n) и их подвижности (b). Данные величины являются весьма важными характеристиками металла и определяются опытным путем. Так, для измерения концентрации электроном используют эффект Холла. Рассмотрим проводник в виде прямоугольной пластины, в которой течет ток плотности $\overrightarrow{j.}$ Эквипотенциальными поверхностями внутри этой пластины являются плоскости, перпендикулярные направлению тока, следовательно, разность потенциалов на рис.1 между точками (1 и 2) равна нулю.

Рис. 1

Если в металле создать магнитное поле, которое будет перпендикулярно току, то между точками 1 и 2 (рис.1) возникнет разность потенциалов, которая говорит о том, что при наличии магнитного поля эквипотенциальные поверхности в пластинке отклоняются от первоначального положения. В возникновении поперечной разности потенциалов заключается эффект Холла.

Сущность эффекта Холла

Эффект Холла является следствием существования силы Лоренца. На движущиеся в магнитном поле заряды действует сила Лоренца. Под ее действием электрон отклоняется от первоначального направления движения к одной из граней. В результате одна из граней проводника заряжается отрицательно, следовательно, другая становится положительно заряженной. Внутри металла появляется поперечное электрическое поле ($\overrightarrow{E_x}$).

Сущность этого явления заключена в том, что электропроводимость проводника во внешнем магнитном поле является тензорной величиной (не скаляром). Напряженность поперечного электрического поля, которое называют холловским, добавляется к напряженности электрического поля, которое вызывает ток в отсутствии магнитного поля. В результате $\overrightarrow{E}$ поля образует с плотностью тока угол, который называют углом Холла (направление вектора $\overrightarrow{E}$ и направление вектора $\overrightarrow{j\ }\ $ не совпадают). Связь напряжённости и плотности тока имеет вид:

Готовые работы на аналогичную тему

где ${\sigma }_{ik}$ — тензор электропроводимости.{-3}.$

Эффект Холла наблюдается не только в металлах, но и например, в полупроводниках. Опыты по изучению эффекта Холла в разных веществах показали, что он не всегда является результатом движения отрицательных зарядов. Если измерение разности потенциалов в эффекте Холла показывает, что движутся положительные заряды, то такой эффект называют аномальным.

Эффект Холла используют создавая так называемые датчики Холла. Они используются для определения параметров магнитных полей, нахождения местоположения объектов.

Данный эффект используют для изучения энергетического спектра носителей заряда в металлах и полупроводниках.

На эффекте Холла основано действие магнитных насосов для стимулирования циркуляции жидких металлов и других проводящих жидкостей и магнитодинамических генераторов энергии.

Для измерения постоянной Холла часто применяют компенсационный метод. Составляют цепь, которая изображена на рис.2. По пластинке А течет ток, к ней подведены два контакта 1 и 2.{-6}В.$

Пример 2

Задание: Получите выражение для постоянной Холла, считая, что проводник с током, помещен в магнитное поле. Следует допустить, что электрон движется равномерно.

Решение:

Сила Лоренца, которая действует на электрон в магнитном поле, движущийся со скорость $\overrightarrow{v}$ равна:

\[\overrightarrow{F}=q_e\overrightarrow{E}+q_e\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\left(2.1\right).\]

В равновесии $\overrightarrow{F}=0$ тогда можно записать, что:

\[q_e\overrightarrow{E}={-q}_e\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\to \overrightarrow{E}=-\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\left(2.2\right).\]

Плотность тока в проводнике можно выразить как:

\[\overrightarrow{j}=-q_en\overrightarrow{v}\left(2.3\right),\]

где $n$ — концентрация электронов. Из $\left(2.3\right)$ выразим скорость:

\[\overrightarrow{v}=-\frac{\overrightarrow{j}}{nq_e}\left(2.4\right).\]

Кроме того разность потенциалов между точками 1- 2 (рис.1) равна:

\[d\cdot \overrightarrow{E}=U\left(2.5\right).\]

Подставим в (2.5) выражение для напряженности (2.2) и скорость из (2.4), получим:

\[U=d\left[\frac{\overrightarrow{j}}{nq_e}\overrightarrow{B}\right]=\frac{d}{nq_e}\left[\overrightarrow{j}\overrightarrow{B}\right]\left(2.6\right).\]

Выражение для разности потенциалов в эффекте Холла имеет выражение:

\[U=RdjB\left(2.7\right).\]

Получаем, что постоянная Холла равна:

\[R=\frac{1}{nq_e}.\]

Ответ: $R=\frac{1}{nq_e}.$

в чём заключается явление, измерения датчиками, основанными на элементах Холла, формула расчетов

Изучение влияния друг на друга электричества и магнетизма привело к открытию явления, названого впоследствии именем его исследователя, эффектом Холла. Благодаря экспериментам учёного был создан датчик, получивший широкое применение в электрических схемах. Его используют в мобильной и бытовой технике совместно с двигателями, в измерительном оборудовании за счет способности преобразовывать магнитную индукцию в разность потенциалов.

Открытие эффекта Холла

Будущий физик Эдвин Герберт Холл родился в американском городе Горем в 1855 году. Получив начальное образование, он в 1875 году поступил в университет, где и ставил свои первые эксперименты. Так, изучая труды Максвелла об электричестве и магнетизме, Холл заинтересовался двумя фактами.

Первый заключался в том, что силы, возникающие в проводнике, расположенном поперечно линиям магнитной индукции, прикладываются непосредственно к веществу. Второй же сообщал, что значение этих сил зависит от скорости движения зарядов. В 1879 году вышла статья учёного Эдмунда Холла, доказывающая факт, что магнитное поле действует с одинаковым усилием как на подвешенный, так и зафиксированный объект.

Анализируя, какая сила может управлять движением заряженных частиц, он пришёл к выводу, что это может быть только напряжение. Для первого опыта физик использовал согнутую в спираль проволоку зажатую между диэлектриков. Эту конструкцию он поместил между двумя магнитами и запитал её от химического элемента тока. В качестве регистратора использовался мост Витстона с гальванометром Кельвина. В совокупности было проведено около тринадцати экспериментов и более четырёхсот измерений с разными условиями. Результатами экспериментов стало утверждение, что магнитный поток может изменять сопротивление материала.

По совету профессора Роуланда было выработано направление нового эксперимента, заключающее в следующем:

1. К проводящей пластине подводился электрический ток.
2. Гальванометр подключался к краям проводника.
3. Включался электромагнит так, чтобы линии напряжённости поля лежали перпендикулярно плоскости пластины.

Предполагалось обнаружить условия для изменения протекания тока. Но опыт не получался, пока в качестве пластины не попробовали использовать тонкий лист из золота. Поставленный новый опыт оказался удачным. Гальванометр чётко зафиксировал появившееся напряжение.

В результате был обнаружено, что при подаче на проводник электрического тока заряд в ней распределяется равномерно по всей её поверхности.

Но как только на пластину воздействует магнитное поле, линии индукции которой перпендикулярны направлению тока, заряд перераспределяется к краям, и возникает разность потенциалов. В этом и заключается эффект Холла, на базе которого были после построены одноимённые датчики.

Физико-математическое определение

Эффект Холла — это явление, которое можно наблюдать при помещении вещества проводящего электрический ток под действие магнитного поля. Физик Холл открыл, что в проводнике, при пропускании по нему постоянного тока появляется электродвижущая сила (ЭДС) если его поместить в поперечное магнитное поле. Физически это обозначает возникновение напряжения на боковых гранях проводящего вещества при поднесении к нему магнита. Используя это, можно регистрировать магнитное излучение. Возникшее напряжение зависит от трёх факторов:

• силы тока;
• напряжённости поля;
• типа проводника.

Сила, с которой электромагнитное поле действует на точечный заряд в веществе, называется силой Лоренца. Частным её случаем является сила Ампера. Математически напряжённость электрического поля описывается выражением:

E h = R*H*j*sinα, где:

• H — напряжённость магнитного поля;
• j — плотность тока;
• α — векторный угол между силовыми линиями H и j;
• R — постоянная Холла.

Если к пластине прямоугольной формы, имеющую длину L, которая намного будет превышать ширину b и толщину d, подвести ток, то его значение будет определяться формулой: I = j*b*d. Когда же её переместить в магнитное поле, направленное перпендикулярно этому току, то на боковых гранях пластины возникнет ЭДС, равная:

V h = E h* b = R*H*I/d.

Так как эффект объясняется влиянием поля на элементарные частички (дырки или электроны) то сила действующая на них описывается законом Лоренца: F =e * [H*υ], где υ — усреднённая скорость носителей зарядов, зависящая от концентрации и величины носителей. Под влиянием этой силы носители начинают прижиматься к боковым поверхностям пластины перпендикулярно j и H. Там они накапливаются, и возникает явление Холла, уравновешивающее силу Лоренца.

При этом коэффициент Холла равен: R = 1/n*e. Например, для металлов он составляет около 10^-3 см³/Кл, а у полупроводников от 10 до 10⁵ см³/Кл.

Постоянную Холла также можно выразить через способность носителей заряда реагировать на внешнее воздействие (подвижность). Так, она равна: R = µ/σ, где: µ — дрейфовая скорость носителей, а σ — удельная электропроводность. Но это в большей мере справедливо для поликристаллов. В то же время для анизотропных проводников будет верней формула: R = r/e*n. Здесь r принимается равной единице и обозначает оценку силы магнитного поля.

Разновидности явления

По мере исследования эффекта был обнаружен ряд особенностей появления электрического поля, отличающий от классического понимания. Так, учёными были выявлены факторы, приводящие к появлению напряжения без пропускания через пластинку тока. Такие явления получили название:

• аномальное;
• квантовое;
• спиновое.

Для аномального эффекта необходимым условием является нарушение T-симметрии, то есть уравнений, описывающих физические законы при обращении времени. Наиболее часто этот эффект наблюдается в материалах, имеющих остаточную намагниченность (ферромагнетики).

Квантовое же отклонение возникает в квазидвумерном электронном газе, где пренебрегают кулоновским взаимодействием. В нём носители заряда обладают слабой связью с ионами кристаллической решётки. В такой системе работают законы квантовых теорий.

При этом чем сильнее магнитное поле, тем более выражено дробное явление Холла, связанное с трансформированием структуры всего электронного газа.

В 1971 году учёные Дьяконов и Перель, изучающие механизм спиновой релаксации, обнаружили, что перпендикулярно направлению линий электромагнитного поля наблюдается отклонение носителей зарядов, имеющих противоположные спины. Этот эффект был связан со спин-гальваническим рассеянием и взаимодействием между спиновыми и орбитальными магнитными моментам.

Способы использования явления

На основе эффекта Холла создаются устройства и приборы, обладающие нужными и часто уникальными свойствами. Эти приборы занимают важное место в измерительно-контрольной технике, автоматизации, радиотехнике и т. д. Приспособления, использующие в своей работе явление Холла, называются элементами Холла (датчиками).

Эти датчики дают возможность измерять силу магнитного поля, так как при неизменной величине тока электродвижущая сила прямо пропорциональна линиям магнитной индукции. Прямая зависимость этих величин для элементов Холла является неоспоримым преимуществом перед другими типами измерителей индукции, основанных на контроле магнетосопротивления.

Приборы Холла позволяют проводить измерения электрических и магнитных характеристик не только металлов, но и полупроводников. Из-за простоты своего действия, несложности в изготовлении, а также высокой точности и надёжности они широко применяются в различных отраслях науки и техники. Датчики используются для измерения силы, давления, углов, перемещения и других неэлектрических величин. Этот эффект используют и при изготовлении полупроводников для контроля подвижности носителей зарядов и подсчёта их концентрации.

Для этого используется формула эффекта Холла: V h = j*B*H / n*q = B*I / (q*n*α) = R*B*I/α,

из которой число носителей находится как N = (I*B) / (q*α* V h). Таким образом, можно определить не только количество носителей, но и также их тип (знак).

Элементы Холла применяются в автомобилестроении из-за их невысокой стоимости, точности показаний, надёжности и способности не зависеть от условий окружающей среды. Их используют в конструкции бесконтактных однополярных и биполярных прерывателей. Благодаря их миниатюрному исполнению электронные гаджеты можно автоматически включать или выключать экран при открытии или закрытии чехла с магнитом. Они помогают в GPS-навигации, улучшая геопозирование.

С каждым годом эффект Холла находит всё более новое применение. Свидетельством тому служит появление устройства виртуальной реальности — Google Card Board, в основе работы которого лежит взаимодействие магнита с датчиком Холла.

Магнитные датчики

Основное преимущество использования датчиков магнитного поля, заключается в их бесконтактной работе. Они бывают аналоговыми и дискретными. Первый тип считается классическим. В его основе лежит принцип, что чем сильнее будет магнитное поле, тем больше будет величина напряжения. В современных приборах и устройствах такой тип уже практически не используется из-за значительных размеров. Цифровой же датчик построен на режиме работы «ключ» и имеет два устойчивых положения. Если сила индукции недостаточна он не срабатывает.

Разделяются дискретные элементы Холла на два типа:

• униполярные — срабатывание которых зависит от полюса магнитного поля;
• биполярные — переключения состояния датчика происходит при изменении магнитного полюса;
• омниполярные — реагируют на действие магнитной индукции любого направления.

Конструктивно датчик представляет собой электронный прибор с тремя выводами. Он может выпускаться как в стандартном исполнении DIP, DFN или SOT, так и в герметичном: например, 1GT101DC (герметичный), A1391SEHLT-T (DNF6), SS39ET (SOT), 2SS52M (DIP).

Характеристики устройства

Выпускаемые датчики, использующие явление Холла, как и любые электронные радиокомпоненты характеризуются своими параметрами. Главным из них является тип прибора и напряжение питания. Но, кроме этого, выделяют следующие технические характеристики:

1. Величина измеряемой индукции. Измеряется она в гауссах или миллитеслах.
2. Чувствительность — определяется значением магнитного потока, на который реагирует датчик, единица измерения мВ/Гс или мВ/мТл.
3. Нулевое напряжение магнитного поля — значение разности потенциалов, соответствующее отсутствию магнитного поля.
4. Дрейф нуля — изменение напряжения, зависящее от температуры. Указывается в процентном отклонении от температуры 25 °C.
5. Дрейф чувствительности — изменение чувствительности, вызванное изменением температуры.
6. Полоса пропускания — уровень снижения чувствительности с шагом в 3 дБ.
7. Индукция включения и выключения — это значение напряжённости поля, при котором датчик устойчиво срабатывает.
8. Гистерезис — разность между индукциями включения и выключения;
9. Время срабатывания — характеризуется промежутком времени перехода из одного устойчивого состояния в другое.

Изготовление приборов

Материал, из которого выполняется элемент Холла, должен обладать большой подвижностью носителей зарядов. Для получения наибольшего значения напряжения вещество не должно иметь высокую электропроводностью. Поэтому при производстве устройств используется: селенид, теллурид ртути, антимонид индия. Тонкопленочные датчики получаются методом испарения вещества и осаждения его на подложку. В качестве её служит слюда или керамика.

Изготавливают датчики также из полупроводников — германия и кремния. Их легируют мышьяком или фосфорной сурьмой. Такие устройства обладают низкой зависимостью от изменения температуры, а величина образуемой на них ЭДС может достигать одного вольта.

Типовой процесс производства пластинчатого датчика Холла состоит из следующих операций:

• обрезка пластины нужного размера;
• шлифовка поверхности;
• формирование с помощью пайки либо сварки симметричных выводов;
• герметизация.

Таким образом, применение эффекта Холла нашло широкое применение в магнитометрии, смартфонах, автомобилях, выключателях и охранных системах.

Одним из главных преимуществ датчиков, выполненных на этом эффекте, является электрическая изоляция (гальваническая развязка) делающие их применение удобным и безопасным.

Эффект Холла — обзор

1.07.5.1 Сравнение AHE и SHE

SHE тесно связано с AHE в металлических ферромагнетиках, как описано в разделе 1.07.1. Оба управляются релятивистским SO-взаимодействием, и рассматриваются внутренние и внешние механизмы. Более конкретно, можно рассматривать SHE как две копии AHE для вращения вверх и вниз. Эта аналогия верна в нулевом приближении, но есть несколько отличий, описанных ниже.

Одно важное отличие состоит в том, что заряд является сохраняющейся величиной, а ток заряда в AHE хорошо определяется как ток Нётер, связанный с калибровочной симметрией U (1), в то время как спин не сохраняется в присутствии SO-взаимодействия и соответственно, уравнение неразрывности для спина и спинового тока не может быть получено в общих ситуациях.Следовательно, определение спинового тока несколько произвольно, и прямое наблюдение спинового тока намного труднее, чем определение тока заряда, как обсуждалось ранее. Вот почему экспериментальное наблюдение SHE было довольно косвенным, например, путем измерения последующего накопления спина около края образца. В этом случае следует провести анализ уравнения спиновой диффузии, включая спад спиновой плотности из-за взаимодействия SO, которое вводится феноменологически.

Более прямое определение спинового тока — это падение напряжения, перпендикулярное ему. Этот эффект представляет собой так называемый эффект Ааронова – Кашера в вакууме, но он очень мал, потому что величина эффекта в вакууме содержит массу покоя электрона mc ² в знаменателе. В твердых телах эффективное взаимодействие SO может быть значительно увеличено в мс ² / Δ E , при этом Δ E является шириной запрещенной зоны.Этот коэффициент может достигать 10 ⁶ , и, следовательно, обнаружение спинового тока в твердых телах намного проще. Эта идея уже реализовывалась в ISHE, как описано в разделе 1.07.3 для металлических SHE.

В случае АЭХ теоретические исследования кроссовера между внешней и внутренней доминирующими областями были разработаны с учетом пересечения полос вблизи энергии Ферми, которое резонансно увеличивает АЭХ (Миясато и др. , стр. 2007; Онода и др., 2006b). Типичной модельной системой является гамильтониан Рашбы со спиновой поляризацией. Например, переход от очень чистого металла, где SS является преобладающим, к обычной металлической области, где собственный вклад определяет σ _H , происходит при ħ / τ ≅Δ, где τ — время транспортировки, Δ — энергия SO. В этом переходе продольная проводимость σ _xx намного больше, чем e ² / h , то есть σ _xx ≅ ( e ² / h ) (ɛ _F / Δ).Если дополнительно увеличить силу беспорядка, второй переход происходит при ħ / (ε _F τ ) ∼ 0,1 в область, где новый закон масштабирования σ _H ∝ (σ _xx ) ^ϕ с показателем ϕ ≅ 1,6. Это теоретическое предсказание (Онода и др. , 2006b) при переводе в трехмерные системы путем замены e ² / h на e ² / ( га ) ≅ 10 ³ (Ом · см) ⁻¹ (где a — постоянная решетки, принятая равной примерно 4 Å), довольно хорошо согласуется с недавними экспериментальными исследованиями силы беспорядка на протяжении многих десятилетий (Miyasato et al., 2007). Следовательно, ħ / ( τ Δ) и, следовательно, абсолютное значение продольной проводимости является ключевым параметром для управления поведением AHE, что разрешает давние споры.

С точки зрения приведенных выше результатов, СВЭ в полупроводниках находится в сильно неупорядоченной области, где ожидается степенной закон 1,6, но детальное изучение зависимости σ _xx от σ _s никогда не проводилось. сделано. В случае металлов, с другой стороны, жизненно важная роль пересечений зон является общей, что приводит к усилению собственного SHE в обычных металлических системах, как обсуждается в разделе 1.07.3.2. При дальнейшем уменьшении беспорядка преобладает вклад внешней SS, и SHC σ _s пропорционален проводимости диагонального заряда σ _xx , а спиновый угол Холла γ _S = σ _s / σ _xx характеризует спиновый отклик Холла. Аналогичным образом определяется и аномальный угол Холла, то есть γ = σ _s / σ _xx . Типичное значение γ составляет порядка 10 ^-3 , что соответствует отношению КНИ и энергии Ферми.Когда активно резонансное рассеяние виртуальным связанным состоянием d-орбиталей, γ имеет порядок (λ / Δ) δ ₁ , где λ — энергия КНИ, Δ — энергия гибридизации между d-орбиталями и s-полосы, то есть ширина виртуального связанного состояния, а δ ₁ — фазовый сдвиг для p-волнового рассеяния (Fert and Jaoul, 1972). Это может быть порядка 10 ⁻² , поскольку λ / Δ ≅ 0,1 и δ ₁ 0,1 возможны, но не больше. Следовательно, гигантская SHE, наблюдаемая в Au (Seki et al., 2008) предполагает существенное различие между AHE и SHE. Например, SHE — это не просто две копии AHE для вращения вверх и вниз. Это естественно, поскольку компоненты оператора спина x и y играют некоторую роль в квантовой флуктуации, которая приводит к образованию синглетов в эффекте Кондо, как описано в разделе 1.07.3.2 (Guo et al. , 2009; Танака и др. , 2008). Это может быть механизм усиленного SHE по сравнению с AHE.В любом случае роль электронной корреляции и квантовой флуктуации спинов будет важным вопросом в будущем.

Эффект Холла | Определение и факты

Эффект Холла , развитие поперечного электрического поля в твердом материале, когда он пропускает электрический ток и находится в магнитном поле, перпендикулярном току. Это явление было обнаружено в 1879 году американским физиком Эдвином Гербертом Холлом. Электрическое поле, или поле Холла, является результатом силы, которую магнитное поле оказывает на движущиеся положительные или отрицательные частицы, составляющие электрический ток.Независимо от того, является ли ток движением положительных частиц, отрицательных частиц в противоположном направлении или их смесью, перпендикулярное магнитное поле смещает движущиеся электрические заряды в одном направлении в сторону под прямым углом к ​​магнитному полю и направлению текущий поток. Накопление заряда на одной стороне проводника оставляет противоположно заряженную другую сторону и создает разность потенциалов. Соответствующий измеритель может определить эту разницу как положительное или отрицательное напряжение.Знак этого напряжения Холла определяет, переносят ли ток положительные или отрицательные заряды.

В металлах напряжения Холла обычно отрицательны, что указывает на то, что электрический ток состоит из движущихся отрицательных зарядов или электронов. Напряжение Холла, однако, является положительным для некоторых металлов, таких как бериллий, цинк и кадмий, что указывает на то, что эти металлы проводят электрические токи за счет движения положительно заряженных носителей, называемых дырками. В полупроводниках, в которых ток состоит из движения положительных дырок в одном направлении и электронов в противоположном направлении, знак напряжения Холла показывает, какой тип носителя заряда преобладает.Эффект Холла можно использовать также для измерения плотности носителей тока, их свободы движения или подвижности, а также для обнаружения наличия тока в магнитном поле.

Напряжение Холла, возникающее в проводнике, прямо пропорционально току, магнитному полю и природе самого проводящего материала; Напряжение Холла обратно пропорционально толщине материала в направлении магнитного поля. Поскольку разные материалы имеют разные коэффициенты Холла, они развивают разные напряжения Холла при одинаковых условиях размера, электрического тока и магнитного поля.Коэффициенты Холла могут быть определены экспериментально и могут изменяться в зависимости от температуры.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена ​​Адамом Августином.

Измерение эффекта Холла

Эффект Холла, впервые описанный Эдвином Холлом в 1879 году, приводит к электрическому выходу, когда тонкая металлическая пластина погружается в магнитное поле достаточной силы. Магнитное поле должно быть перпендикулярно электрическому току, проходящему через пластину.Потенциал напряжения эффекта Холла зависит от силы магнитного поля и его угла к пластине.

Измерительная установка для обнаружения потока электронов на выходе эффекта Холла. Приложенная извне магнитная сила инициирует ток в тонкой прямоугольной проводящей пластине. Электроны притягиваются к стороне пластины, к которой приложено положительное напряжение, и отталкиваются от той стороны пластины, к которой приложено отрицательное напряжение.

Если магнитное поле накладывается со стороны проводника, по которому протекает ток, положительные и отрицательные носители заряда будут перемещаться к противоположным сторонам проводника, создавая небольшой, но измеримый потенциал напряжения поперек проводника.Это напряжение наиболее заметно, когда проводник представляет собой тонкую плоскую прямоугольную пластину. Он возникает только при наличии магнитного потока, наложенного извне проводника. Таким образом, узел, не имеющий движущихся частей, может функционировать как датчик приближения, а также как магнитометр. Выходная мощность находится в диапазоне низких милливатт, поэтому для многих приложений он используется вместе с усилителем.

Напряжение эффекта Холла также появляется через просверленное в пластине отверстие в ответ на электрический ток, подаваемый на край отверстия.Это второе изменение эффекта Холла проявляется в изменении выходного напряжения (вкл. Или выкл.) В зависимости от полярности магнитного поля. Биполярному датчику, как его еще называют, требуется положительный полюс (южный полюс в соответствии с действующей номенклатурой) для подачи питания на электрическую цепь. Напротив, униполярная схема на эффекте Холла включается и выключается, когда датчик приближается к магнитному полю или покидает его. Здесь снова нет движущихся частей. Единственное, что движется, — это внешнее магнитное поле или все устройство на эффекте Холла.По этой причине, если они не подвержены перенапряжению, устройства на эффекте Холла, как правило, не требуют обслуживания.

Вверху элемент Холла принимает отрицательный заряд на верхнем крае (обозначен синим цветом) и положительный на нижнем крае (красный цвет). Показан поток электронов, а не направление тока. Внизу либо электрический ток, либо магнитное поле меняются местами, в результате чего поляризация меняется на противоположную. Реверсирование как тока, так и магнитного поля (внизу справа) заставляет элемент Холла снова принимать отрицательный заряд на верхнем крае.

Эффект Холла зависит от движения электронов, дырок и / или ионов. В присутствии магнитного поля на носители заряда действует сила Лоренца, F , количественно выраженная как:
F = q ( E + v × B)
Где q — электрический заряд, E — внешнее электрическое поле, v — скорость заряда и B — магнитное поле, все в единицах СИ.

Устройства на эффекте Холла используются во многих приложениях.Примером может служить клещевой амперметр. Без устройства на эффекте Холла этот прибор представляет собой простой трансформатор, нечувствительный к постоянному току. В высококачественные клещевые амперметры встроен датчик на эффекте Холла, расширяющий их функциональные возможности.

Датчики на эффекте Холла

в настоящее время доступны вместе с усилителями с высоким коэффициентом усиления в одиночных интегральных схемах. Их можно запечатать, чтобы сделать их невосприимчивыми к пыли, грязи, грязи и воде. Не имеющий движущихся частей, этот узел подходит для использования в автомобилях, включая тормозные системы с АБС, спидометры, электронные системы зажигания и впрыска топлива.

Можно построить и настроить датчики

на эффекте Холла для обнаружения магнитного поля Земли. Это свойство используется в некоторых системах GPS. Крошечные датчики на эффекте Холла устанавливаются на печатных платах и ​​используются для обеспечения обратной связи в системах двигателей с регулируемым приводом. Слаботочную чувствительность можно повысить, введя в токоведущий провод несколько витков. В стационарных установках можно использовать экранирование, чтобы уменьшить влияние магнитного поля Земли. Для цепей с большей силой тока используется делитель тока.Он состоит из одного более толстого и одного более тонкого провода, причем более тонкий провод обеспечивает напряжение смещения для устройства на эффекте Холла.

Серводвигатели

часто содержат датчики на эффекте Холла для отслеживания положения ротора. Новейшие экскаваторы, карьерные самосвалы, краны и ножничные подъемники оснащены джойстиками на эффекте Холла, что исключает необходимость использования гидравлических шлангов, требующих большого технического обслуживания.

Двигатель малой мощности на эффекте Холла используется для приведения в движение некоторых космических кораблей, которые однажды вышли из-под земного притяжения. Магниты на двигателе ускоряют ионизированные атомы.Нейтральное топливо закачивается в камеру, где оно ионизируется электронами, создавая плазму, которая создает достаточную тягу в условиях невесомости.

Теория эффекта Холла, первоначально изложенная в 19 веке, в настоящее время пересматривается, чтобы отразить последние достижения в квантовой физике. Неизменный теоретик Клаус фон Клитцинг обнаружил, что когда в одном слое электронов в полупроводнике одновременно наблюдаются низкая температура и сильное магнитное поле, его внутреннее электронное свойство, холловское сопротивление, возникает исключительно при целых кратных h / e ^2. , теперь называемая постоянной фон Клитцинга.По сути, это квантованная версия эффекта Холла, наблюдаемая в двумерных электронных системах, подверженных воздействию низких температур и сильных магнитных полей, в которых сопротивление Холла R _xy демонстрирует ступеньки, которые принимают квантованные значения на определенных уровнях R _xy = V _Hall / I _канал = h / e ² v где V _Hall — напряжение Холла, I _канал — ток канала, e — элементарный заряда и ч — постоянная Планка.Делитель ν может принимать как целое число (ν = 1, 2, 3,…), так и дробное (ν = ⅓, ⅖, ³ ⁄ ₇ , ⅔, ³ ⁄ ₅ ,…. .)ценности.

Оказывается, есть реальные приложения для квантованной версии эффекта Холла. Квантование проводимости Холла G _xy = 1/ R _xy является чрезвычайно точным. Фактические измерения холловской проводимости оказались целыми или дробными, кратными от e ² / h до почти одной миллиардной доли.Это явление позволило определить новый практический стандарт электрического сопротивления, основанный на кванте сопротивления, задаваемом постоянной фон Клитцинга. Квантовый эффект Холла также обеспечивает чрезвычайно точное независимое определение величины, важной в квантовой электродинамике, называемой постоянной тонкой структуры.

Кстати, исследователи изучали трехмерный квантовый эффект с середины 20-го века, добившись успеха в прошлом году. Разработка представляет собой теоретическую модель электрона, которая, как ожидается, расширит наши знания о трехмерном эффекте Холла.Последняя итерация представляет собой дробную версию, в которой отсутствует магнитное поле. В холодной 2D-системе с сильным приложенным магнитным полем холловское сопротивление движется дискретными шагами. Квантовый эффект Холла нелегко повторить, потому что энергия распределяется в направлении приложенного магнитного поля.

В 1987 году теоретик Берт Гальперин предположил, что решение может быть найдено, если в электронной структуре материала можно будет открыть брешь. Примерами могут быть индуцированный потенциал решетки или электроны волны зарядовой плотности, падающие в стоячую волну.Это создало бы энергетический разрыв согласно предсказаниям Гальперина:
1. Удельное сопротивление вдоль электрического поля исчезнет, ​​а
2. Удельное сопротивление Холла останется на уровне 2 ч / e ²

Вот чем трехмерные квантовые эффекты Холла будут отличаться от двумерных квантовых эффектов Холла.

Несмотря на последующие исследования, прогнозы Гальперина остаются непроверенными. Проблема заключается в несовместимости 2D и 3D. Просто складывать 2D-материалы не удалось.Кажется, что система сохраняет 2D-характеристики.

Фангдун Тан из Южного научно-технического университета и его коллеги из Китая смогли наблюдать трехмерный квантовый эффект Холла, используя магнитное поле 2 Тл в сочетании с охлаждением 0,6 К. Эксперименты показали подавленное продольное сопротивление вместе с плато Холла на уровне около 2,0 Тл. Поскольку длина волны Ферми была больше, чем постоянная решетки, исследователи смогли заявить, что трехмерный квантовый эффект Холла был вызван большой длиной волны, а не кристаллом. потенциал.Механизм, лежащий в основе наблюдаемого трехмерного квантового эффекта Холла, и объяснение холловского плато при ограниченных уровнях магнитного поля остаются нерешенными. Одно из объяснений состоит в том, что электрон-фононные взаимодействия вызывают эти явления.

После открытия квантового эффекта Холла продолжают появляться новые экспериментальные результаты. Исследователи надеются найти новые материалы, которые продемонстрируют трехмерный квантовый эффект Холла. Две интересные возможности заключаются в том, что трехмерный квантовый эффект Холла будет достигнут при комнатной температуре и без внешнего магнитного поля.

Эффект Холла

Эффект Холла
Следующая: Окружной закон Ампера Up: Магнетизм Предыдущая: Заряженная частица в Мы неоднократно заявляли, что расходы на мобильную связь в общепринятый проводящие материалы заряжены отрицательно (по сути, это электроны). Есть ли какие-либо прямые экспериментальные доказательства того, что это правда? Собственно, есть. Мы можем используйте явление, называемое эффектом Холла , чтобы определить, подвижные заряды в данном проводнике заряжены положительно или отрицательно.Исследуем этот эффект.

Рассмотрим тонкую, плоскую, однородную ленту из проводящего материала, которая ориентирован так, чтобы его плоская сторона была перпендикулярна однородному магнитное поле — см. рис. 26. Предположим, что мы пропускаем ток по длине ленты. Есть две альтернативы. Либо нынешний несет положительный заряд двигаясь слева направо (на рисунке), или его переносят отрицательные заряды, движущиеся в противоположном направлении.

Предположим, что ток переносится положительными зарядами, движущимися слева направо.Эти обвинения отклоняются вверх (на рисунке) магнитным полем. Таким образом, верхний край ленты становится заряжается положительно, а нижний край становится отрицательно заряженным. Следовательно, существует положительной разности потенциалов между верхними и нижние края ленты. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла .

Предположим теперь, что ток переносится отрицательными зарядами. двигаясь справа налево.Эти заряды также отклоняются вверх на магнитным полем. Таким образом, верхний край ленты становится отрицательно заряженной, а нижний край становится положительно заряженный. Отсюда следует, что напряжение Холла (, т.е. , разность потенциалов между верхним и нижним краями ленты) в данном случае отрицательное значение .

Рисунок 26: Эффект Холла для положительных носителей заряда (слева) и отрицательных носители заряда (справа).

Понятно, что можно определить знак мобильных зарядов в токопроводящий проводник путем измерения напряжения Холла. Если напряжение положительный, то заряды мобильных устройств положительны (при условии, что магнитное поле и ток ориентированы, как показано на рисунок), тогда как если напряжение отрицательный, то мобильные заряды отрицательны. Если бы мы должны были выполнить В этом эксперименте мы обнаружим, что подвижные заряды в металлах всегда отрицательны (потому что они электроны).Однако в некоторых типах полупроводников подвижные заряды оказались положительными. Эти носители положительного заряда называются дырками . Дырки фактически лишены электронов в атомной решетке полупроводник, но они действуют как положительные заряды.

Давайте исследуем величину напряжения Холла. Предположим, что мобильный каждый из зарядов обладает зарядом и движется по ленте вместе с скорость дрейфа . Магнитная сила, действующая на данный мобильный заряд имеет величину, поскольку заряд движется существенно перпендикулярно магнитному полю.В установившемся состоянии эта сила уравновешивается электрической силой из-за накопления зарядов по верхнему и нижнему краям ленты. Если напряжение Холла , а ширина ленты равна, то электрическая поле, направленное от верхнего к нижнему краю ленты, величины. Теперь электрическая сила на мобильном заряде является . Эта сила действует против магнитной силы. В стационарном состоянии

(169)

давая

(170)

Обратите внимание, что напряжение Холла прямо пропорционально величине магнитное поле.Фактически это свойство Напряжение Холла используется в приборах, называемых датчиками Холла , которые используются для измерения напряженности магнитного поля.

Предположим, что толщина проводящей ленты равна, и что она содержит мобильные носители заряда на единицу объема. Отсюда следует, что полный ток протекающий через ленту можно написать

(171)

поскольку все мобильные заряды содержатся в прямоугольном объеме длиной, шириной , и толщину, обтекают заданную точку на ленте за одну секунду.Комбинируя уравнения. (170) и (171), получаем

(172)

Понятно, что напряжение Холла пропорционально току, протекающему через ленты, и напряженность магнитного поля, и обратно пропорциональна плотности подвижных зарядов в ленте и толщине лента. Таким образом, для создания чувствительного зонда Холла (, т. Е. , что дает большое напряжение Холла в наличие небольшого магнитного поля), нам нужно взять тонкую ленту некоторый материал, который обладает относительно небольшими мобильными зарядами на единицу том ( у.е.г. , полупроводник), а затем пропустить через него большой ток.

---

Следующая: Окружной закон Ампера Up: Магнетизм Предыдущая: Заряженная частица в

Ричард Фицпатрик 2007-07-14

Эффект Холла | NIST

Эволюция концепций сопротивления | Эффект Холла и сила Лоренца | Техника Ван дер Пау

Эволюция концепций сопротивления

Электрические характеристики материалов развивались на трех уровнях понимания.В начале 1800-х годов сопротивление R и проводимость G считались измеримыми физическими величинами, которые можно было получить с помощью двухконтактных измерений I-V (т. Е. Тока I , напряжения В ). Позже стало очевидно, что одно только сопротивление не является достаточно полным, поскольку разные формы образцов дают разные значения сопротивления. Это привело к пониманию (второй уровень) того, что требуется внутреннее свойство материала, такое как удельное сопротивление (или проводимость), на которое не влияет конкретная геометрия образца.Впервые это позволило ученым количественно оценить токонесущую способность материала и провести значимые сравнения между различными материалами.

К началу 1900-х годов стало понятно, что удельное сопротивление не является фундаментальным параметром материала, поскольку разные материалы могут иметь одинаковое удельное сопротивление. Кроме того, данный материал может иметь разные значения удельного сопротивления в зависимости от того, как он был синтезирован. Это особенно верно для полупроводников, где одно только удельное сопротивление не может объяснить всех наблюдений.Теории электропроводности создавались с разной степенью успеха, но до появления квантовой механики не было разработано общеприемлемого решения проблемы электрического переноса. Это привело к определениям плотности несущих n и мобильности µ (третий уровень понимания), которые сегодня способны выполнять даже самые сложные электрические измерения.

Эффект Холла и сила Лоренца

Основным физическим принципом, лежащим в основе эффекта Холла, является сила Лоренца, которая представляет собой комбинацию двух отдельных сил: электрической и магнитной силы.Когда электрон движется вдоль направления электрического поля, перпендикулярного приложенному магнитному полю, он испытывает магнитную силу — q v X B , действующую перпендикулярно обоим направлениям. Направление этой магнитной силы можно определить, используя правило правой руки. С открытой ладонью пальцы направлены в направлении скорости несущей и загнуты в направлении магнитного поля. Направление магнитной силы на электрон тогда определяется направлением, противоположным направлению большого пальца.Результирующая сила Лоренца F , следовательно, равна — q ( E + v x B ), где q (1,602×10 ^-19 C) равно элементарный заряд, E — электрическое поле, v — скорость частицы и B — магнитное поле. Для полупроводника в форме стержня типа n , такого как показанный на рис.1 носителями являются преимущественно электроны с объемной плотностью n . Мы предполагаем, что постоянный ток I течет по оси x слева направо в присутствии магнитного поля, направленного по оси z. Электроны, на которые действует сила Лоренца, первоначально дрейфуют от направления тока к отрицательной оси y, что приводит к избыточному отрицательному поверхностному электрическому заряду на этой стороне образца. Этот заряд приводит к холловскому напряжению — падению потенциала на двух сторонах образца.(Обратите внимание, что сила, действующая на отверстия, направлена ​​в одну сторону из-за их противоположной скорости и положительного заряда.) Это поперечное напряжение представляет собой напряжение Холла В _H , а его величина равна IB / qnd , где I. — ток, B — магнитное поле, d — толщина образца и q (1,602 x 10 ^-19 C) — элементарный заряд. В некоторых случаях удобно использовать плотность слоя или листа ( n _s = nd ) вместо насыпной плотности.Затем получается уравнение

Таким образом, измеряя напряжение Холла В, _H и по известным значениям I , B и q , можно определить плотность слоев носителей заряда n _s в полупроводниках. . Если измерительное устройство настроено, как описано ниже в разделе IV, напряжение Холла будет отрицательным для полупроводников типа n и положительным для полупроводников типа p . Листовое сопротивление R _S полупроводника может быть удобно определено с помощью метода измерения удельного сопротивления Ван-дер-Пау.Поскольку сопротивление листа включает в себя как плотность, так и подвижность листа, подвижность Холла можно определить по уравнению

.

µ = | В _H | / R _S IB = 1 / ( qn _S R _S ).

Если известна толщина проводящего слоя d , можно определить объемное удельное сопротивление ( ρ = R _S d ) и объемную плотность ( n = n _S / d ).

Техника Ван дер Пау

Чтобы определить как подвижность µ , так и плотность листа n _s , необходима комбинация измерения удельного сопротивления и измерения Холла. Мы обсуждаем здесь метод Ван-дер-Пау, который из-за его удобства широко используется в полупроводниковой промышленности для определения удельного сопротивления однородных образцов (ссылки 3 и 4). В соответствии с первоначальной разработкой ван дер Пау, используется произвольная форма (но односвязная, т.е.без отверстий, непроводящих островков или включений), образец тонкой пластины, содержащий четыре очень маленьких омических контакта, размещенных на периферии (предпочтительно в углах) пластины. Схема прямоугольной конфигурации Ван-дер-Пау показана на рис. 2.

Целью измерения удельного сопротивления является определение сопротивления листа R _S . Ван дер Пау продемонстрировал, что на самом деле существует два характеристических сопротивления R _A и R _B , связанных с соответствующими выводами, показанными на рис.2. R _A и R _B связаны с сопротивлением листа R _S через уравнение Ван дер Пау

exp (-π R _A / R _S ) + exp (-π R _B / R _S ) = 1

, который можно решить численно для R _S .

Объемное электрическое сопротивление ρ может быть рассчитано с использованием

Чтобы получить два характеристических сопротивления, один прикладывает постоянный ток I к контакту 1 и вне контакта 2 и измеряет напряжение В ₄₃ от контакта 4 к контакту 3, как показано на рис.2. Затем прикладывают ток I к контакту 2 и вне контакта 3 при измерении напряжения В ₁₄ от контакта 1 к контакту 4. R _A и R _B являются рассчитывается с помощью следующих выражений:

R _A = V ₄₃ / I ₁₂ и R _B = V ₁₄ / I ₂₃ .

Целью измерения Холла в технике Ван дер Пау является определение плотности носителя листа n _s путем измерения напряжения Холла В _H . Измерение напряжения Холла состоит из серии измерений напряжения с постоянным током I и постоянным магнитным полем B , приложенным перпендикулярно плоскости образца. Удобно, что тот же образец, снова показанный на рис.3, может также использоваться для измерения Холла. Чтобы измерить напряжение Холла В _H , ток I пропускается через противоположную пару контактов 1 и 3, а напряжение Холла В _H (= В ₂₄ ) измеряется через оставшаяся пара контактов 2 и 4. После получения напряжения Холла В _H плотность носителя листа n _s может быть вычислена с помощью n _s = IB / q | V _H | от известных значений I , B и q .

Второй тип геометрии, который иногда используется, включает образец параллелепипеда или моста. Это может быть более желательно в случае анизотропных свойств материала. Ограничения по форме и размеру более жесткие, чем у образца Ван дер Пау, но измерения можно проводить с использованием шести- или восьмиконтактной конфигурации. Образец мостовидного типа отличается от параллелепипеда тем, что контакты размещены на плечах, ответвляющихся от основания основного параллелепипеда.Подробности этого метода можно получить из документа ASTM, указанного в ссылках.

Существуют практические аспекты, которые необходимо учитывать при проведении измерений Холла и удельного сопротивления. Основными проблемами являются (1) качество и размер омического контакта, (2) однородность образца и точное определение толщины, (3) термомагнитные эффекты из-за неоднородной температуры и (4) фотопроводящие и фотоэлектрические эффекты, которые можно минимизировать путем измерения в темноте. . Кроме того, поперечные размеры образца должны быть большими по сравнению с размером контактов и толщиной образца.Наконец, необходимо точно измерить температуру образца, напряженность магнитного поля, электрический ток и напряжение.

Датчики на эффекте Холла | Аллегро Микросистемс

Датчики на эффекте Холла

Автор: Шон Милано, Allegro MicroSystems

Скачать PDF, версия

Абстрактные

Allegro MicroSystems — мировой лидер в разработке, производстве и маркетинге высокопроизводительных интегральных схем датчика Холла.Эта статья дает общее представление об эффекте Холла и о том, как Allegro разрабатывает и реализует технологию Холла в корпусных полупроводниковых монолитных интегральных схемах.

Принципы эффекта Холла

Эффект Холла назван в честь Эдвина Холла, который в 1879 году обнаружил, что потенциал напряжения возникает на токопроводящей проводящей пластине, когда магнитное поле проходит через пластину в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, как показано на нижнем рисунке. панель рисунка 1.

Фундаментальным физическим принципом, лежащим в основе эффекта Холла, является сила Лоренца, которая проиллюстрирована на верхней панели рисунка 1. Когда электрон движется в направлении v, перпендикулярном приложенному магнитному полю B, на него действует сила F , сила Лоренца, нормальная как к приложенному полю, так и к току.

Рис. 1. Эффект Холла и сила Лоренца. Синие стрелки B обозначают магнитное поле, проходящее перпендикулярно проводящей пластине.

В ответ на эту силу электроны движутся по изогнутой траектории вдоль проводника, и на пластине возникает общий заряд и, следовательно, напряжение. Это напряжение Холла, V _H , подчиняется приведенной ниже формуле, которая показывает, что V _H пропорционально напряженности приложенного поля и что полярность V _H определяется направлением, северным или южным, приложенное магнитное поле. Благодаря этому свойству эффект Холла используется в качестве магнитного датчика.

где:

• V _H — напряжение Холла на проводящей пластине,
• I — ток, проходящий через пластину,
• q — величина заряда носителей заряда,
• ρn — количество носителей заряда в единице объема, а
• т — толщина листа.

Полупроводниковые интегральные схемы Allegro содержат элемент Холла, поскольку эффект Холла применяется как к проводящим пластинам, так и к полупроводниковым пластинам.Используя эффект Холла в полностью интегрированной монолитной ИС, можно измерить напряженность магнитного поля и создать широкий спектр интегральных схем с эффектом Холла для множества различных приложений.

Переключатель Allegro Hall активируется положительным магнитным полем, создаваемым южным полюсом. Положительное поле включает выходной транзистор и соединяет выход с GND, действуя как устройство с активным низким уровнем.

Поле, необходимое для активации устройства и включения выходного транзистора, называется магнитной рабочей точкой и обозначается сокращенно B _OP .Когда поле убирается, выходной транзистор выключается. Поле, необходимое для выключения устройства после его активации, называется точкой магнитного срабатывания, или B _RP . Разница между B _OP и B _RP называется гистерезисом и используется для предотвращения дребезга переключения из-за шума.

Allegro также производит магнитные защелки и линейные устройства. Магнитные защелки включаются южным полюсом (B _OP ) и выключаются северным полюсом (B _RP ).Требование северного полюса для деактивации защелки отделяет защелки от простых переключателей. Поскольку они не выключаются при удалении поля, они «фиксируют» вывод в текущем состоянии до тех пор, пока не будет применено противоположное поле. Защелки используются для определения вращающихся магнитов для переключения двигателя или измерения скорости.

Линейные устройства имеют аналоговый выход и используются для измерения линейного положения в линейных энкодерах, таких как автомобильные датчики положения педали газа. Они имеют логометрическое выходное напряжение, которое при отсутствии поля номинально составляет В _CC /2.При наличии южного полюса выход будет двигаться в направлении V _CC , а при наличии северного полюса выход будет двигаться в направлении GND. Allegro предлагает широкий ассортимент переключателей Холла, защелок и линейных устройств, подходящих для самых разных применений. См. Руководства по выбору продукции Allegro: ИС магнитных датчиков линейного и углового положения, ИС магнитных цифровых датчиков положения, ИС датчиков тока на основе эффекта Холла и ИС магнитных датчиков скорости.

Использование эффекта Холла

Интегральные схемы (IC) Allegro с эффектом Холла

используют эффект Холла, объединяя элемент Холла с другими схемами, такими как операционные усилители и компараторы, для создания магнитно-активируемых переключателей и аналоговых выходных устройств.Простой переключатель Холла, такой как открытое устройство NMOS, показанное на рисунке 2, может использоваться для определения наличия или отсутствия магнита и реагировать с помощью цифрового выхода.

Рис. 2. Блок-схема простого переключателя на эффекте Холла IC

Интегральные схемы — это электронные структуры с большим количеством элементов схемы с высокой плотностью, рассматриваемые как единое целое. Элементы схемы включают в себя активные компоненты, такие как транзисторы и диоды, а также пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.Эти компоненты соединены между собой металлом, обычно алюминием, для создания более сложных операционных усилителей и компараторов устройства. Переключатель Холла на рисунке 2 используется для простой иллюстрации, но эти компоненты используются во всех устройствах Allegro даже для самых сложных ИС. Элемент Холла на рисунке 2 показан в виде квадратной рамки с буквой «X». Его выходной сигнал усиливается, подается на компаратор, а затем на открытый цифровой выход NMOS. Allegro также производит ИС Холла с двумя элементами Холла для измерения дифференциальных магнитных полей и даже тремя элементами Холла для определения направления движущихся ферромагнитных целей.Какой бы сложной ни была топология сенсора, все компоненты изготавливаются на тонкой подложке из полупроводникового материала и на ней.

Структура ИС Холла

Устройства Allegro изготавливаются на кремниевых подложках путем легирования непосредственно в кремний различными материалами для создания областей носителей n-типа (электроны) или p-типа (электронные дырки). Эти области материала n-типа и p-типа сформированы в геометрические формы, которые составляют активный и пассивный компоненты интегральной схемы, включая элемент Холла, и соединены друг с другом путем нанесения металла на геометрические формы.Таким образом, активный и пассивный компоненты электрически соединены друг с другом. Поскольку требуемые геометрические размеры очень малы, в диапазоне микрон, а иногда и меньше, плотность схемы чрезвычайно высока, что позволяет создавать сложные схемы на очень небольшой площади кремния.

Тот факт, что все активные и пассивные элементы выращены внутри подложки или нанесены на кремний, делает их неотделимыми от кремния и действительно идентифицирует их как монолитные интегральные схемы.На рисунке 3 показано, как элемент Холла интегрирован в Allegro IC. Это просто область легированного кремния, которая создает пластину n-типа, которая будет проводить ток.

Рисунок 3. Поперечное сечение одиночного элемента Холла; эпи-резистор N-типа контактирует в каждом из четырех углов.

Как упоминалось ранее, когда ток протекает от одного угла пластины к противоположному углу, напряжение Холла будет развиваться через два других угла пластины в присутствии перпендикулярного магнитного поля.Напряжение Холла будет равно нулю, когда поле не приложено. Аналогичным образом более сложные геометрические формы образуют активные компоненты, такие как структуры транзисторов NPN или NMOS. На рисунке 4 показаны поперечные сечения как NPN-, так и PMOS-транзисторов.

Рис. 4. Поперечные сечения PMOS (вверху) и BJT-транзистора n NPN (внизу)

Для повышения эффективности производства эти схемы выращиваются в подложке, пока она еще находится в форме большой пластины. Цепи повторяются в виде ряда строк и столбцов, которые можно распилить на отдельные кристаллы или «чипы», как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Кремниевая пластина, врезанная в матрицу после нанесения схемы IC

Единственное устройство на ИС с датчиком Холла Allegro можно увидеть на рисунке 6. Это простой переключатель с функциональной блок-схемой, показанной на рисунке 2. Все схемы включены в ИС, включая элемент Холла, который можно увидеть. в виде красного квадрата в середине микросхемы, а также схемы усилителя и защитные диоды, а также многочисленные резисторы и конденсаторы, необходимые для реализации функциональности устройства.

Рис. 6. Микросхема Single Hall IC

Упаковка для устройств Холла

После распиливания рядов и столбцов кремниевых пластин на отдельные кристаллы, кристаллы упаковываются для индивидуальной продажи. Готовый корпус, один из многих возможных стилей, показан на рис. 7. Кристалл виден внутри корпуса, установленный на медной матрице. Контакт с медными выводами осуществляется посредством золотой проволоки, соединяющей металлические контактные площадки на поверхности кристалла с электрически изолированными выводами корпуса.Затем упаковку инкапсулируют или формуют поверх пластика, чтобы защитить матрицу от повреждений.

Рис. 7. Типичный полный комплект устройства Холла, показывающий смонтированную матрицу и проводные соединения с выводами.

Корпус на рис. 7 представляет собой простой переключатель, показанный на рис. 2, с VCC, GND и выходными выводами в миниатюрном трехконтактном однорядном корпусе (SIP). Другие пакеты можно увидеть на рисунке 8 и включают в себя масштабный пакет микросхемы на уровне пластины (CSP), SOT23W, MLP, 3-контактный UA-корпус SIP и 4-контактный K-корпус SIP.

Рис. 8. Типичные полные комплекты устройств Холла: (A) MLP для поверхностного монтажа и (B) SOT23W, (C) корпус для масштабирования кристалла на уровне пластины (CSP) и монтаж в сквозное отверстие (D) K типа SIP, и (E) UA типа SIP.

AN296065

Эффект Холла — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните сценарий, в котором магнитное и электрическое поля пересекаются, и их силы уравновешивают друг друга, когда заряженная частица движется через селектор скорости.
• Сравните движение носителей заряда в проводящем материале и объясните, как это связано с эффектом Холла

В 1879 г.Х. Холл разработал эксперимент, который можно использовать для определения знака преобладающих носителей заряда в проводящем материале. С исторической точки зрения, этот эксперимент был первым, кто продемонстрировал, что носители заряда в большинстве металлов отрицательны.

Мы исследуем эффект Холла, исследуя движение свободных электронов вдоль металлической полосы шириной l в постоянном магнитном поле ((рисунок)). Электроны движутся слева направо, поэтому магнитная сила, которую они испытывают, толкает их к нижнему краю полосы.Это оставляет избыток положительного заряда на верхнем крае полосы, в результате чего возникает электрическое поле E , направленное сверху вниз. Концентрация заряда на обоих краях увеличивается до тех пор, пока электрическая сила, действующая на электроны в одном направлении, не уравновешивается магнитной силой, действующей на них в противоположном направлении. Равновесие достигается когда:

, где e — величина заряда электрона, — скорость дрейфа электронов, а E — величина электрического поля, создаваемого разделенным зарядом.Решение этой проблемы для скорости дрейфа дает

.

В эффекте Холла возникает разность потенциалов между верхним и нижним краями металлической полосы, когда движущиеся носители заряда отклоняются магнитным полем. а) эффект Холла для отрицательных носителей заряда; (б) Эффект Холла для положительных носителей заряда.

Сценарий, в котором электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу, называется ситуацией скрещенного поля. Если эти поля создают равные и противоположные силы на заряженную частицу со скоростью, равной силам, эти частицы могут проходить через устройство, называемое селектором скорости, без отклонения.Эта скорость представлена ​​на (Рисунок). Любая другая скорость заряженной частицы, посланной в те же поля, будет отклонена магнитной силой или электрической силой.

Возвращаясь к эффекту Холла, если ток в полосе равен I , то по току и сопротивлению мы знаем, что

, где n — количество носителей заряда в объеме, а A — площадь поперечного сечения полоски. Объединение уравнений для и I дает

Поле E связано с разностью потенциалов V между краями полосы на

Величина В называется потенциалом Холла и может быть измерена с помощью вольтметра.Наконец, объединение уравнений для I и E дает нам

, где верхний край полосы на (Рисунок) положителен по отношению к нижнему краю.

Мы также можем объединить (рисунок) и (рисунок), чтобы получить выражение для напряжения Холла через магнитное поле:

Что делать, если носители заряда положительны, как на (Рисунок)? Для того же тока I величина V все еще определяется (рисунок). Однако теперь верхний край отрицателен по отношению к нижнему краю.Следовательно, просто измерив знак V , мы можем определить знак основных носителей заряда в металле.

Измерения потенциала Холла показывают, что электроны являются основными носителями заряда в большинстве металлов. Однако потенциалы Холла показывают, что для некоторых металлов, таких как вольфрам, бериллий и многих полупроводников, большинство носителей заряда являются положительными. Оказывается, проводимость за счет положительного заряда вызвана миграцией отсутствующих электронных узлов (так называемых дырок) на ионах.Дырочная проводимость изучается позже в Физике конденсированного состояния.

Эффект Холла можно использовать для измерения магнитных полей. Если материал с известной плотностью носителей заряда n поместить в магнитное поле и измерить V , то поле можно определить по (Рисунок). В исследовательских лабораториях, где поля электромагнитов, используемых для точных измерений, должны быть чрезвычайно стабильными, «зонд Холла» обычно используется как часть электронной схемы, регулирующей поле.

Селектор скорости Электронный пучок попадает в селектор скорости в скрещенном поле с магнитным и электрическим полями 2,0 мТл и соответственно. (а) Какой должна быть скорость электронного пучка, чтобы пересечь скрещенные поля без отклонения? Если электрическое поле выключено, (б) каково ускорение электронного луча и (в) каков радиус кругового движения, которое возникает в результате?

Стратегия Электронный луч не отклоняется ни магнитным, ни электрическим полями, если эти силы уравновешены.На основе этих уравновешенных сил мы вычисляем скорость луча. Без электрического поля во втором законе Ньютона для определения ускорения используется только магнитная сила. Наконец, радиус траектории основан на результирующем круговом движении магнитной силы.

Решение

1. Скорость невозмущенного пучка электронов со скрещенными полями рассчитывается по (Рисунок):
   
2. Ускорение рассчитывается из чистой силы магнитного поля, равной произведению массы на ускорение.Величина ускорения:
   
3. Радиус пути определяется балансом круговых и магнитных сил, или (Рисунок):
   

Значение Если бы электроны в пучке имели скорости выше или ниже ответа в части (а), эти электроны имели бы более сильную результирующую силу, создаваемую либо магнитным, либо электрическим полем. Следовательно, только те электроны, которые имеют эту конкретную скорость, смогут пройти.

Холловский потенциал в серебряной ленте (рисунок) показывает серебряную ленту, поперечное сечение которой равно 1.0 см на 0,20 см. Лента проходит слева направо током 100 А и находится в однородном магнитном поле величиной 1,5 Тл. Используя значение плотности электронов на кубический метр для серебра, найдите потенциал Холла между краями ленты.

Показано определение потенциала Холла в серебряной ленте в магнитном поле.

Стратегия Так как большинство носителей заряда — электроны, полярность напряжения Холла указана на рисунке.Значение напряжения Холла рассчитывается по формуле (Рисунок):

.

Решение При вычислении напряжения Холла нам необходимо знать ток через материал, магнитное поле, длину, количество носителей заряда и площадь. Поскольку все они указаны, напряжение Холла рассчитывается как:

Значение Как и в этом примере, потенциал Холла обычно очень мал, и для его измерения требуются тщательные эксперименты с чувствительным оборудованием.

Проверьте свое понимание Зонд Холла состоит из медной полоски, электронов на кубический метр, что составляет 2.0 см шириной и 0,10 см толщиной. Что такое магнитное поле, если I = 50 А и потенциал Холла равен (а) и (б)

?

Сводка

• Перпендикулярные электрическое и магнитное поля оказывают равные и противоположные силы для определенной скорости входящих частиц, тем самым действуя как селектор скорости. Скорость, которая проходит без отклонения, рассчитывается по
• Эффект Холла можно использовать для измерения знака большинства носителей заряда металлов.Его также можно использовать для измерения магнитного поля.

Концептуальные вопросы

Потенциалы Холла для плохих проводников намного больше, чем для хороших проводников. Почему?

Плохие проводники имеют более низкую плотность носителей заряда, n , что, согласно формуле эффекта Холла, связано с более высоким потенциалом Холла. Хорошие проводники имеют более высокую плотность носителей заряда, следовательно, более низкий потенциал Холла.

Глоссарий

Эффект Холла

создание напряжения на проводнике с током магнитным полем

Селектор скорости

устройство, в котором скрещенные электрическое и магнитное поля создают равные и противоположные силы на заряженную частицу, движущуюся с определенной скоростью; эта частица движется через селектор скорости, не подвергаясь воздействию ни одного поля, в то время как частицы, движущиеся с разными скоростями, отклоняются устройством

.