Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

ФОМЭ / лекции по ФОМЭ / Гальваномагнитные явления.ppt

Скачиваний:

139

Добавлен:

12.03.2015

Размер:

371.71 Кб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 32 3 > Следующая >>>

Применение преобразователей Холла

Поскольку величина ЭДС Холла Uх

пропорциональна произведению B·J, то преобразователи Холла приме- няют для измерения магнитных полей и токов, в перемножающих аналоговых устройствах, в схемах модуляторов и детекторов, в каче- стве анализаторов спектра сигналов

Параметры преобразователей Холла

1. Входное сопротивление Rвх	l	– это сопротивление
	a

между входными электродами (1-1 на рис. 3), Ом.

2. Выходное сопротивление, Rвых, - сопротивление между выходными

электродами, Ом.				Pн
3. КПД преобразователя Холла,					, - отношение отдаваемой, Pн, и

подводимой мощности, Pвх.	Ех	Pвх
4. Коэффициент передачи,К			, - это отношение напряженности поля
	Евх

ЭДС Холла, Ех, к напряженности поля Евх между входными электродами.

5. Максимально допустимый ток через преобразователь,	I max a	2 T	,

где а –ширина преобразователя, м; α – коэффициент	теплоотдачи		с

поверхности преобразователя, Вт/(м2К); Т 50 К – температура перегрева преобразователя; δ – толщина преобразователя, м; - удельное

электросопротивление полупроводника, Ом·м.

6. Максимальная ЭДС Холла, Uх max=RxBImax, - значение ЭДС Холла при заданной индукции магнитного поля B при протекании через датчик максимально допустимого тока Imax, В.

7. Вольтовая чувствительность	U x max	, В/Т .
	B	12

+Ек

Рис. 4. Физическая

структура биполярного магнитотранзистора (B – индукция электрического поля)

	Биполярный
	Б		Э
	Б
			n+
				p
RБ		n		n
RБ	К1		V	К2
	К1		V	К2
	I	Rн	I	R	н
	к1		к2		н

магнитотранзистор
Это транзистор, в котором
используется	зависимость	его
характеристик и параметров от
магнитного	поля.	Для

Bувеличения чувствительности к магнитному полю биполярные транзисторы выполняют с двумя коллекторными переходами (рис. 4). Поток магнит-ной индукции B отклоняет носители тока (электроны) от одного кол- лектора к другому. Между кол- лекторами возникает разность потенциалов

U=(Iк1 – Ir2)Rн.

Биполярные
магнитотранзисторы		имеют
вольтовую	чувствительность
в 100…1000	раз	больше
магнитной		13
магнитной	чувствительности

преобразователя Холла.

Магниторезистивный эффект
			В 1856 году Уильям Томсон (Лорд Кельвин)
	I	впервые		описал	магниторезистивный
		эффект. Этот эффект заключается в
ЕΣ	Е	увеличении		удельного		сопротивления
		полупроводника в магнитном поле с
	B	индукцией B. Под действием силы Лоренца
	φ	траектория движения носителей в магнитном
		поле искривляется. В результате накопления
		заряда на одной из граней пластинки, в ней
Ех		возникает электрическое поле Холла Ex (рис.
		5), перпендикулярное направлению при-
		ложенного (внешнего) электрического поля Е.
+		В	пластинке		возникает		суммарное
Рис. 5. К объясне-		электрическое поле EΣ, направление которого
				E E Ex
нию магниторези-		определяется векторной суммой

стивного эффекта			Угол между векторами Е и Ех носит название
(φ – угол Холла)		угол Холла. Значение угла Холла φ определяется из
		соотношения			Ех
				tg Е		.	(13)
							14

Из соотношения (3) следует, что величина электрического поля Холла Ех равна

Ех	1	Вj	, В/м.	(14)
	qn

Напряженность поля, создаваемого внешним источником питания в пластинке полупроводника определяется по формуле

Е	j	j	.	(15)
	qn n

Подставляя эти значения в формулу (6.23), получим tg n B . Для небольших значений индукции В величина tg φ φ.

Следовательно,
B	.	(16)
		15

На практике используется случай полупроводника, для которого выполняется условие а>l. В такой «короткой» пластине ЭДС Холла не образуется. Однако, траектория носителей тока по прежнему оказывается сдвинутой от направления внешнего поля на угол Холла φ (рис. 6).

Рис. 6. Изменение длины
свободного пробега носите-
ля заряда вдоль вектора
электрического поля Е в	l0
полупроводнике, находя-	l0
щемся в магнитном поле с	B
индукцией В
	Fл

l’

Отклонение траектории движения носителей тока от направления поля Е равносильно

уменьшению длины свободного пробега носителей, l0, в направлении поля Е:

l=l0-l΄= l0-l0cosφ,

(17)

где l΄ - проекция длины свободного пробега на

направление внешнего электрического поля Е.

Для малых φ значение cos φ можно разложить в

ряд:	cos 1		2	...	.
			2!

Тогда	l l0 l0 l	0	2	l0	2
			2		2

Подставляя в это выражение значение φ из формулы

(16), получим	2 B2
l l0		.
	2

Уменьшение l0 эквивалентно уменьшению скорости дрейфа носителей vдр, которая, в свою очередь пропорциональна величине проводимости полупроводника, σ. Следовательно,

l	~	2 B2	.
l0		2

В результате, относительное изменение электро-

сопротивление полупроводника определяется выражением
	С 2 B2	(18)

	,

где С- коэффициент, зависящий от геометрических размеров пластинки полупроводника.

Магниторезисторы

Рис. 7. Вариант

конструкции маг- ниторезистора

Магниторезисторы – это резисторы переменного сопротивления, величина которого зависит от напряженности приложенного магнитного поля.

Магниторезистор представляет собой пластинку полупроводника, на поверхность которого нанесены металлические полосы (рис. 7). Каждая часть пластины полупроводника между двумя металлическими полосами представляет собой отдельный магниторезистор. Металлические полосы выполняют роль шунтов, уменьшающих ЭДС Холла, возникающую на боковых гранях пластинки полупроводника.

Основным полупроводниковым материалом для магниторезисторов является антимонид индия InSb и арсенид индия InAs – материалы с большой подвижностью электронов (7,6 м2/(В·с) и 3,3 м2/(В·с) соответственно). Отечественной промышленностью серийно изготавливаются магниторезисторы типа MR, СМ. Их характеристики: номинальное сопротивление 50…220 Ом, рассеиваемая мощность

0,15…0,25 Вт.	19

датчики

Uп

R2 R3

Uвых

R1 R4

Uп

Рис. 8. Расположение магниточувстви-

тельных элементов (R1-R4) на под- ложке магниторезисторного датчика

Анизотропные магниторезисторные (АМР) датчики представляют собой специальные резисторы, сделанные из тонкой пермаллоевой пленки, по- мещенной на кремниевую пластину (рис. 8). При их производстве пленка помещается в сильное магнитное поле для ориентации магнитных областей в одинаковом направлении, определяя тем самым направление вектора намагничивания. Затем, при попада- нии во внешнее магнитное поле, пер- пендикулярное пленке, вектор намаг- ничивания начинает вращаться или изменять угол. Это, в свою очередь, ме- няет сопротивление пленки. Пре- образователь магнитного поля состоит из четырех тонкопленочных магнито- резисторов R1-R4 (рис. 8), соединенных

в мостовую схему.	20

Магнитодиод

Магнитодиоды (рис. 8, а) –

Iпр, мА

это диоды с толстой базой,

B=0

сопротивление

которой

уве-

личивается

поперечном

0,1

магнитном поле в результате

уменьшения подвижности ос-

новных

и неосновных

носи-

0,2Тл

телей заряда, как и в обыч-

ном магниторезисторе.

для

Uпр,В В

качестве

материала

изготовления

магнитодиодов

Рис. 8. Вариант конструкции маг-

обычно

используется

моно-

нитодиода – а; прямые ветви ВАХ

кристаллический

германий

магнитодиода на основе Ge, нахо-

или кремний, имеющие до-

дящегося в магнитных полях с раз- статочно

большую

подвиж-

ность носителей заряда. Пря-

личной магнитной индукцией B - б мые ветви ВАХ германиево-го

магнитодиода в магнит-ных

полях с различной маг-нитной

индукцией показаны на рис.

8, б.