Преобразователи (элементы) Холла

Полупроводниковая магнитоэлектроника, основана на так называемых гальваномагнитных явле­ниях. Эти явления представляют собой результат воздействия магнитного поля на электрические свойства полупровод­ников, по которым протекает электри­ческий ток. Важнейшее из гальвано­магнитных явлений - эффект Холла. Он состоит в том, что при протека­нии тока в полупроводнике возникает поперечная разность потенциалов, если на этот полупроводник действует маг­нитное поле, вектор которого перпенди­кулярен направлению тока.

Эффект Холла объясняется тем, что на подвижные носители заряда в магнит­ном поле действует сила Лоренца, которая вызывает их отклонение. Рас­смотрим для примера это явление в полупроводнике n -типа (рисунок 7.6). Все сказанное ниже об электронах можно повторить и для дырок. Электроны под действием силы Лоренца отклоняются к одной из граней полупроводниковой пластинки. На этой грани возникает отрицательный заряд, а на противо­положной грани, откуда электроны уходят, – положительный заряд. Между электродами на этих гранях создается разность потенциалов и электрическое поле, которое противодействует смещению электронов под влиянием силы Лоренца. Когда сила, действующая на электрон со стороны поля, становится равной силе Лоренца, дальнейшее смещение электронов прекращается и насту­пает

Сила поля равна qE, а сила Лоренца qυ B, где q - заряд электрона, Е – напряженность поля, υ - скорость поступательного дви­жения электронов. Из равенства этих сил вытекает, что Е = υ B. Выразив Е как Uн /d, где Uн – напряжение Холла между электродами на гранях полупроводниковой пластины, a d - расстояние между гранями, получим Uн /d = υ B или Uн = dυ B.

Как видно, получается линейная за­висимость между напряжением, возни­кающим при эффекте Холла, и магнит­ной индукцией, вызывающей это напря­жение. Поэтому удобно использовать эффект Холла для построения приборов, измеряющих магнитную индукцию. При­боры, в которых используется эффект Холла, принято называть преобразовате­лями Холла или датчиками Холла.

В общем виде выражение для напряжения Холла должно быть записано как

где d – толщина элемента; kH – постоянная Холла (коэффициент Холла); Iуп – ток управления; В – индукция воздействующего магнитного поля.

Постоянная Холла определяется значением:

где RН_p – постоянная Холла для дырок; RН_n – постоянная Холла для электронов; q – заряд электрона; р – концентрация дырок; n – концентрация электронов.

Элементы Холла широко применяют для различных измерений. Поскольку магнитное поле может быть создано электрическим током и в этом случае магнитная индукция про­порциональна силе тока, то на основе эффекта Холла созданы бесконтактные измерители силы тока. Это особенно важно для измерения сильных постоян­ных токов, протекающих по проводам большого диаметра, которые практи­чески невозможно разрывать для вклю­чения амперметра.

Для изготовления МЧЭ элементов Холла наиболее широко используются: кремний(Si), германий (Gе), арсенид индия (InАs), антимонид индия (InSb), арсенид галлия (СаAs), то есть полупроводниковые материалы, обладающие высокой подвижностью носителей заряда и наивысшим значением коэффициента Холла.

Конструктивное оформление элемента Холла зависит от используемого исходного полупроводникового материала и от технологии изготовления. Магниточувствительный элемент преобразователя Холла может быть изготовлен с использованием любой современной технологии микроэлектроники: полупроводниковой биполярной и эпипланарной, пленочной, МОП, и др. Наибольшее распространение получили кристаллические и пленочные МЧЭ.

На рисунок 7.8 рассмотрены классические варианты топологии элементов Холла. Каждая из топологий МЧЭ, приведенных на рисунке 7.8, обладает своими особенностями и применяется с учетом решения конкретных технических задач.

Конструктивно элементы Холла могут быть выполнены как в виде дискретных элементов, так и в виде полупроводниковых структур, расположенных в кристалле полупроводникового материала.

Конструкция в значительной степени предопределяется областью их возможного применения. Не существует единой универсальной конструкции, приемлемой для всех случаев технического использования преобразователей.