1.4.2 Эталон ома на основе квантового эффекта Холла

Квантовый эффект Холла был открыт в 1980 г. Фон-Клитцингом. Суть его состоит в том, что в специальных структурах типа металл-диэлектрик-полупроводник (рис 1.13) при температуре жидкого гелия и в сильном магнитном поле электрическое сопротивление принимает строго фиксированные дискретные значения

где ₀- магнитная проницаемость вакуума;

- постоянная тонкой структуры.

Если на металлическую пластинку подается положительное напряжение U_в, тогда часть электронов из кремниевого полупроводника Si подтянется к границе диэлектрика SiO₂ и окажется заключенной в тонком слое - канале, ограниченном на рис. 1.13 пунктиром, поскольку диэлектрик для электронов непроницаем, а обратно в полупроводник им не дает вернуться притяжение к металлической пластине.

Запертые в канале толщиной dэлектроны, согласно квантовой механике, будут заниматьсамый низкий из возможных дискретных энергетических уровней, соответствующих движению поперек слоя, а их волновые функции будут размазаны по толщине канала. Если подать напряжение на электроды“исток-сток”, то между ними потечет токI. Если, кроме того, приложить магнитное полеВперпендикулярно плоскости канала, то электроны, изгибая свои траектории в полеВначнут скапливаться у боковых краев структур, пока возникшая разность потенциалов между холловскими контактами не воспрепятствуют их дальнейшему накоплению. Это классический эффект Холла, характеризуемый холловским сопротивлениемR_H =U_H/I. Как показано в курсе общей физики, величинаR_Hобратно пропорциональна плотности электронов_eв канале (рис. 1.14).

Однако, при учете квантового характера движения электронов в магнитном поле возникает другая ситуация. Согласно квантовой механике, энергия электронов в плоскости слоя может принимать только дискретные значения.

Рисунок 1.13 - Холловская структура типа металл-диэлектрик-полупроводник

Таким образом, движение электрона оказывается квантованным по всем трем координатам. Следствием этого является наличие на зависимости R_Hот плотности электронов в слое_e плоских участков – плато с квантованными значениями согласно приведенной выше формулы (рис. 1.14). На практике величину_eрегулируют, изменяяU_В. Этот эффект называется квантовым эффектом Холла.

Полученные экспериментальные результаты делают этот метод воспроизведения сопротивления предпочтительным по сравнению с другими. Среднеквадратическое отклонение воспроизведения единицы сопротивления с помощью квантового эталона не превышает 3^.10^-8 при неисключенной систематической погрешности 3^.10^-7.

Рисунок 1.14 - Зависимость холловского сопротивления от плотности электронов в слое

1.5 Передача размеров единицы фв от эталонов рабочим сит

1.5.1 Основные принципы

Как уже говорилось, третьей задачей обеспечения единства измерений является передача размера единицы ФВ от эталонов рабочим СИТ.

Известно, что информация о размерах единиц должна быть заложена в СИТ при его выпуске в обращение в виде номинального значения меры, шкалы СИТ или в градуировочных таблицах и графиках.Правильность и точность этой информации устанавливается нагосударственных испытанияхголовных образцов СИТ, предназначенных для серийного производства, либо приметрологической аттестациинестандартизованных СИТ, т.е. выпускаемых в единичном экземпляре. Сохранность же информации контролируется при первичной и всех последующихповеркахСИТ. Когда при непосредственной передаче информации о размере единиц мерам и отметкам шкал отсчетных устройств приписываются значения, выраженные в этих единицах, то эта процедура называетсяградуировкой.

Использовать для градуировки, аттестации и поверки рабочих СИТ непосредственно государственные первичные эталоны нельзя. Эти эталоны являются национальным достоянием и используются чрезвычайно редко, чтобы исключить их выход из строя. Поэтому, производительность их невелика и для передачи информации о размере единиц обширному парку рабочих СИТ приходится прибегать к многоступенчатой процедуре, схема которой показана на рис. 1.15.

Передача размеров единиц рабочим СИТ осуществляется посредством рабочих эталонов (РЭ).

РЭ, которые имеют наивысшие метрологические свойства среди эталонов на предприятии или в организации называются исходными. В зависимости от точности, РЭ подразделяют на разряды.

РЭ находятся в метрологических институтах или лабораториях Государственной метрологической службы.