Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
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
 |
равновесное состояние.
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.
 |
Элемент Холла представляет собой пластину из полупроводникового материала, по четырем сторонам которой расположены контакты. Контакты 1 и 2 называются токовыми, а контакты 3 и 4 - выходными или измерительными (рисунок 7.7). Через контакты 1 и 2 пропускают управляющий ток а с контактов З и 4 снимают напряжение Холла(UH).
В общем виде выражение для напряжения Холла должно быть записано как
| UH = (kH / d) (Iуп·В) | (7.3) |
где d – толщина элемента; kH – постоянная Холла (коэффициент Холла); Iуп – ток управления; В – индукция воздействующего магнитного поля.
Постоянная Холла определяется значением:
| RНp = 1 / qр или RНn = 1 / qn) | (7.4) |
где RНp – постоянная Холла для дырок; RНn – 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.
Преобразователи Холла применяются и для многих других целей, например для измерения электрической мощ ности и таких неэлектрических величин, как давление, перемещение, угол и др. С помощью эффекта Холла возможно измерение подвижности и концентрации носителей заряда в полупроводниках.
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.