51.Эффект Холла. Материалы для изготовления датчиков Холла (дх). Основные параметры дх и их связь со свойствами полупроводника.

Эффект Холла открыт американским физиком Эдвином Холлом в 1879 году. Сущность эффекта Холла состоит в том, что при прохождении тока через пластину в продольном направлении под влиянием магнитного поля возникает на краях пластинки в поперечном направлении разность потенциалов, обусловленная законом Лоренца (под влиянием магнитного поля токоносители смещаются к краю пластины). Эта разность по­тенциалов (ЭДС) пропорциональна величине векторного произведения на­пряженности поля и тока HI. Если материал однороден, то поток электронов имеет одинако­вую плотность. При наличии магнитного поля силы Лоренца отклоняют электроны и искривляют их траектории. Это направление тра­екторий приводит к появлению отрицательных зарядов на одной стороне пластины. На противоположной стороне накапливается нескомпенсированный положительный заряд. Накопление зарядов на противоположных гранях пластинки приводит к появлению поперечного электрического поля с напряженностью Ег, которое получило название поле Холла. Такое нако­пление зарядов продолжается, пока возникающая поперечная ЭДС не скомпенсирует силы, создаваемые магнитным полем. После этого устано­вится стационарный процесс, при котором электроны движутся параллельно граням пластины, как и при отсутствии магнитного поля. Материалы для изготовления датчиков Холла: Полупроводниковый материал, предназначенный для изготовления ДХ, должен обладать не только высокими, но и по возможности мало зави­сящими от температуры значениями постоянной Холла и подвижности но­сителей тока. Выбор полупроводникового материала для ДХ диктуется об­ластью его применения. Кристаллические датчики обычно изготавливают из германия, крем­ния, полупроводниковых соединений элементов третей и пятой групп пе­риодической системы Менделеева - антимонида индия, арсенида индия, арсенида галлия, а также твердого раствора - тройного соединения In(Aso,gPo,2). Как правило, используются полупроводники с электронной прово­димостью, поскольку они имеют значительно большую подвижность носи­телей заряда, чем полупроводники с дырочной проводимостью. Необхо­димо подчеркнуть, что свойства каждого из указанных полупроводнико­вых материалов могут существенно изменяться в зависимости от рода и количества примесей, вводимых в них. Одним из самых первых материалов, который был использован при изготовлении ДХ, предназначенных для технического применения, был германий. В качестве примеси для легирования германия чаще всего ис­пользуется сурьма, хотя для получения германия с электронной проводи­мостью могут быть применены также мышьяк и фосфор. При этом в зави­симости от количества примеси удается в довольно широких пределах из­менять параметры, характеризующие материал с точки зрения использова­ния его для изготовления ДХ. Отличительной чертой кремния как материала для изготовления ДХ является возможность получения больших значений постоянной Холла. Поэтому у кремниевых ДХ высокая магнитная чувствительность. Свойства кремния также определяются степенью легирования примесями. Допус­каемая температура нагрева кремниевого ДХ значительно больше, чем для датчиков из Ge, InAs, InSb. Главными недостатками кремниевых датчиков являются: Высокое значение и плохая стабильность остаточного напряже­ния (неэквипотенциальности); Высокое выходное сопротивление, что лимитирует снимаемую с датчиков мощность; Технологические сложности при получении качественных кон­тактов к кремниевой пластине. Особенностью ДХ, изготовленных из кремния, является их устойчи­вость к ядерному излучению. Основные параметры датчиков Холла и их связь со свойствами полупроводника: Наиболее распространенной формой ДХ является плоская пластина с двумя парами электродов. Через электроды 1-2 протекает ток 1. Эти электроды называются токовыми. Обычно они выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает рав­номерное распределение входного тока по сечению преобразователя. По мере уменьшения отношения длины к ширине начинает сказы­ваться закорачивающее действие токовых электродов. Ширина ДХ выби­рается максимально возможной, однако при ее выборе необходимо учиты­вать следующее: не всегда возможно изготовить однородный датчик, что вносит неточность в зависимость ЭДС Холла от управляющего тока и управляю­щего магнитного поля; при работе датчика на высоких частотах очень сильно будет ска­зываться влияние вихревых токов, а также паразитные индуктивности и емкости; при измерении неравномерно распределенных магнитных полей габариты ДХ могут быть ограничены самими условиями применения. Значение тока и размеры ДХ взаимосвязаны и определяются усло­виями нагрева.