Параметры и характеристики датчиков Холла. 6

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА

СОДЕРЖАНИЕ.

Стр.

Эффект Холла. 3

Параметры и характеристики датчиков Холла. 6

Изготовление и применение датчиков Холла. 10

Точностные характеристики датчиков Холла. 15

Погрешности преобразователей Холла. 19

Динамические характеристики преобразователей Холла. 22

Магниторезистивный эффект. 24

Изготовление магниторезисторов. 27

Применение магниторезисторов. 29

Основные метрологические характеристики магниторезисторов. 29

Вывод. 30

4. Контрольные вопросы. 31

Список литературы. 32

 

 

 

 

Эффект Холла.

В основе датчиков э. д. с. Холла лежит явление искривления пути носителей заряда в полупроводниках, находящихся в магнитном поле. Это явление впервые было открыто американским физиком Эдвином Холлом в 1876 г.

Рассмотрим прямоугольную пластину полупроводника с электропроводностью n-типа, расположенную, как показано на рис. 1, а.

В направлении оси х протекает ток I_x от внешнего источника. Пластина помещена в магнитное поле Н_y, перпендикулярное направлению тока.

В отсутствие магнитного поля электроны двигаются в пластине в направлении электрического поля Е_x. В магнитном поле электроны отклоняются под действием силы Лоренца:

, (1)

где е - заряд электрона; В_y -индукция магнитного поля, направленного вдоль оси у; v_x= -m_nE_x - скорость электрона в направлении тока; m_n - подвижность электронов. Эта сила направлена перпендикулярно как направлению магнитного поля, так и направлению тока (вдоль оси Z, рис. 1). Поэтому электроны смещаются перпендикулярно направлению их первоначального движения. При условиях, показанных на рис. 1, на зажиме А должен быть отрицательный потенциал относительно зажима Б, так как верхняя поверхность полупроводника, к которой отклоняются электроны, будет заряжаться отрицательно, а противоположная поверхность - положительно. Заряды создают в пластине поперечное электрическое поле, названное по имени ученого полем Холла. Процесс образования объемных зарядов у поверхностей прекратится лишь тогда, когда напряженность поля Холла будет полностью компенсировать действие на электроны силы Лоренца. Условие равенства сил, действующих на электрон со сторо­ны электрических и магнитных полей, может быть записано в виде

, (2)

Откуда может быть определено поле Холла

(3)

Или э. д. с. Холла

, (4)

где d — толщина пластины (рис. 1, б). Возникновение э. д. с. Холла называется эффектом Холла.

Протекающий через образец с шириной bи сечением S ток плот­ностью j_x,обусловленный действием электрического поля, связан с концентрацией и скоростью электронов соотношением:

. (5)

Из выражения (6) следует, что величина э. д. с. Холла зависит от физических свойств материала пластины, от ее размеров, а также, от величины протекающего через нее тока и от воздействующего на этот ток магнитного поля.

Если пластина имеет электропроводность p-типа, то основная часть тока создается дырками, движущимися слева направо, тогда в левой части уравнения (2) следует поставить знак плюс. Траектории ды­рок в этом случае будут смещаться вверх, верхняя поверхность будет накапливать положительный заряд и э. д. с. Холла будет положитель­ной.

Вывод выражения для э. д с. Холла сделан без учета хаотического теплового движения электронов и их распределения по скоростям. Более строгий расчет дает формулу для коэффициента Холла в полу­проводнике с электропроводностью n-типа:

Увеличивается.

Напряжение между двумя другими (холловскими) контактами на­зывается выходным и обозначается U₂(рис. 2). Сопротивление меж­ду холловскими контактами называется выходным и обозначается R₂. Величина его при отсутствии магнитного поля определяется выра­жением

. (11)

Учитывая (6), получим

(18)

Максимальная отдаваемая мощность ограничивается предельно до­пустимой мощностью рассеяния на датчике. Коэффициент полезного действия датчика Холла определяется как отношение мощности, от­даваемой в нагрузку Р_Н к мощности на его входе:

.

Таблица 1

Таблица 2

Тип преоб-разователя

Чувствительность при токе 100 мА, В/Тл

Остаточное напряжение, мкВ

Температурный коэффициент чувствительности, К^-1

Погрешность линейности при В=0÷2 Тл, %

Темпера-турный коэффици-ент оста-точного напряже-ния, мкВ/К

Размеры преобразо-вателя, мм

Размеры чувстви-тельной зоны, мм

Вход-ное и выход-ное со-против-ления, Ом

Класс преобразователя

А

Б

В

А

Б

В

А

Б

В

А

Б

В

ПХЭ 602 117

0,5

0,3

0,2

±0,002

±0,001

±0,0005

─

─

─

5×3×0,8

2×0,5

ПХЭ 602 817 ПХЭ 605 817 ПХЭ 606 817

0,1

0,08

0,06

±0,0003

±0,0002

±0,0001

─ ±2 ─

±1,5 ─ ±1,0

±1,0 ─ ±0,5

5×3×0,8 3×2×0,8 2×1,5×0,8

2×0,5 1×0,25 0,5×0,15

ПХЭ 602 118 ПХЭ 605 118

0,075

0,05

0,03

±0,0002

±0,0001

±0,00005

±1

±0,5

±0,3

5×3×0,8 3×2×0,8

2×0,5 2×0,25

ПХЭ 603 118 ПХЭ 606 118

±2

±1,0

±0,5 ±0,05

2×3×0,8 2×1,5×0,8

0,2×0,05 0,5×1,15

Магниторезистивный эффект.

Магниторезистор представляет собой полупроводниковый рези­стор, основное свойство которого заключается в способности изменять свое электрическое сопротивление под действием магнитного поля.

Магниторезистивный эффект, или эффект Гаус­са, заключается в изменении удельной проводимости полупроводни­ка при изменении воздействующего на него магнитного поля.

Пластина полупроводника помещается во внешнее поперечное магнитное поле, и вдоль нее пропускается ток. Действие силы Лорен­ца вызывает искривление траектории носителей заряда и приводит к удлинению пути, проходимого носителями между электродами, к ко­торым приложено внешнее электрическое поле, что эквивалентно воз­растанию удельного сопротивления полупроводника.

Увеличение сопротивления полупроводника происходит и когда магнитное поле направлено перпендикулярно направлению протека­ния электрического тока, и когда направление магнитного поля параллельно направлению тока. В первом случае мы имеем дело с поперечным эффектом магнитосопротивления, получившем практическое применение. Второй случай носит название продольного эффекта магнитосо­противления. Практического применения он не нашел из-за слабого изменения сопротивления в магнитном поле.

Магнитосопротивление можно определить как раз­ность между сопротивлением магниторезистора в магнитном поле R_ви без магнитного поля (начальное сопротивление). Начальное сопро­тивление R₀ определяется материалом и используемой конструк­цией.

К факторам, влияющим на магнитосопротивление, относятся гео­метрия полупроводниковой пластины, концентрация и подвижность носителей. Приращение удель­ного сопротивления полупро­водника в области слабых маг­нитных полей пропорционально квадратам подвижности и маг­нитной индукции:

где А — постоянная, зависящая от материала полупроводника; р0 — удельное сопротивление полупроводника при отсутствии магнитного поля. В более сильных полях показатель степени в выражении лежит в пределах 1¸2. Магнитосопротивление зависит также от формы об­разца.

Установлено, что магнитосопротивление увеличивается при умень­шении отношения длины пластины к ее ширине. Чем длиннее путь но­сителя заряда в полупроводнике без соударений с другими частица­ми, тем больший поток носителей отклоняется. Это означает, что под­вижность электронов в полупроводнике играет важную роль для повышения сопротивления. Поэтому при использовании магниторезистивного эффекта чаще всего применяют антимонид индия InSb и арсенид индия InAs, характеризующиеся высокой подвижностью электронов.

Причем второй имеющих конфи­гурацию диска (диск Корбино). Дело в том, что относительный рост сопротивления в имеет прирост сопротивления примерно на порядок меньший. В настоящее время разработаны магниторезисторы на основе эвтектического сплава InSb—NiSb.

Магнитосопротивление наибольшее у образцов, магнитном поле тем больше, чем выше отношение длины пластины к ее ширине. В диске Корбино ток подводится к цент­ру, а отводится при помощи электрода, опоясывающего диск по окруж­ности. Линии тока будут иметь вид радиальных лучей, расходящихся от центра диска (рис. 6, а). При помещении диска в магнитное поле электрическое поле Холла не возникает и под действием силы Лорен­ца линии тока образуют не кратчайший путь от электрода к электро­ду, а имеют форму кривых (рис. 6, б).

В плоской полупроводниковой пластине при воздействии магнит­ного поля в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, по­ле Холла оказывается ослабленным за счет шунтирующего действия токовых электродов. В результате сила Лоренца, воздействующая на электроны, оказывается скомпенсированной не полностью, и траектории их движения искривляются.

Магниторезистивные преобразователи находят применение в качестве бесконтактных переменных резисторов и делителей напряжения с плавно регулируемым коэффициентом деления, модуляторов малых постоянных токов и напряжений, используются для создания тесламетров для работы при сверхнизких температурах и датчиков для измерения ряда неэлектрических величин, легко преобразуемых в изменение магнитной индукции, и бесконтактного измерения токов.

Вывод.

Гальваномагнитные преобразователи (ГМП) основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц. В качестве измерительных преобразователей практическое при­менение получили главным образом полупроводниковые ГМП, основанные на исполь­зовании эффектов Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины, а эф­фект Гаусса, или магниторезистивный эффект, проявляется в изменении электриче­ского сопротивления пластины. Оба эффекта обусловлены изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле, возникают одновременно и свя­заны между собой так, что каждый из них приводит к ослаблению другого. Выбирая определенным образом конструкцию и состав материала преобразователя, можно усилить один из эффектов и ослабить другой, создавая таким образом преобразова­тели Холла, или магниторезистивные преобразователи .

 

 

Контрольные вопросы.

 

1. Сущность эффекта Холла.

2. Принцип действия датчиков Холла.

3. Какие параметры датчиков Холла Вы знаете.

4. Каким образом изготавливаются датчики Холла.

5. Где они применяются.

6. Какие типы датчиков Холла вы знаете.

7. Сущность магниторезистивного эффекта.

8. Принцип действия магниторезисторов.

9. Где применяются магниторезистивные преобразователи.

10. Какие характеристики магниторезисторов Вы знаете.

 

Список литературы.

1. Новицкий П.В. Методы измерения физических величин. - М, 1989.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА

СОДЕРЖАНИЕ.

Стр.

Эффект Холла. 3

Параметры и характеристики датчиков Холла. 6