2.7. Гальваномагнитные преобразователи

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 Гаусса и Холла.

Эффект Гаусса (магниторезистивный) проявляется в изменении электрического сопротивления пластины. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях 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, создавая таким образом преобразователи Холла или магниторезистивные преобразователи.

Эффект Холла объясняется действием Лоренца силы со стороны магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны и дырки), отклоняющей их от первоначального направления движения. Для измерения эффекта Холла используют плоские прямоугольные пластины из исследуемого вещества (обычно, гетероструктурного полупроводника) (рис. 2.31), длина L_x которых велика по сравнению с шириной L_y и толщиной L_z. Если электрический ток I_х направлен вдоль пластины (вдоль х), а магнитное поле В₂ – перпендикулярно широкой грани (вдоль z), то из-за искривления траекторий носителей заряда на боковой грани пластины происходит их накопление и возникает холловское электрическое поле Е_у (вдоль у). При этом ЭДС Холла определяется согласно выражению:

U_хл = RB_zI_x/L_z,

где R – постоянная Холла. Величина R может быть найдена из условия равновесия носителей заряда, определяемого равенством силы Лоренца и силы, действующей на подвижные носители заряда со стороны холловского электрического поля. Для металлов R  10^-3 см³/Кл, для полупроводников R  10⁵ см³/Кл. Величина R в слабых магнитных полях может быть выражена через подвижность носителей заряда μ и удельная электропроводность σ: β = μ/σ. Для кристаллов с одним типом носителей заряда (например, легированных ПП) R = r/ne, где n – концентрация носителей заряда, е – их заряд, r – так называемый холл-фактор, зависящий от механизма рассеяния носителей заряда и направления магнитного поля (рис. 2.32) относительно кристаллографических осей (в слабых магнитных полях r близок к 1, в сильных r = 1).

Рис. 2.31. Эффект Холла в плоской пластине: Lx, Ly, Lz,– размеры пластины; Ix – ток в образце; Bz – магнитное поле; Uy – холловское напряжение.	Рис. 2.32. Кривая зависимости холловского сопротивления ху (в единицах h/e2) от магнитной индукции В в гетеропереходе

Отношение U_y/I_x называется холловским сопротивлением или холловской компонентой _ху тензора электрического сопротивления ρ исследуемого образца. Эффект Холла чрезвычайно широко используется в самых разнообразных устройствах: для измерения напряженностей магнитного поля; определения концентрации носителей заряда, типа проводимости; контроля качества образцов и т. д.