220

Глава 3. Гальваномагнитные преобразователи

3.1. Гальваномагнитные явления

3.1.1. Характеристика основных гальваномагнитных эффектов

Среди большого числа физических эффектов, нашедших техническое применение, гальваномагнитные эффекты занимают особое положение. Обнаруженные еще в прошлом столетии, они до последнего времени не имели широкого практического применения. Лишь после того, как были получены полупроводниковые материалы с высокой подвижностью носителей зарядов, гальваномагнитные эффекты стали успешно использоваться для создания новых технических средств. Наибольшее техническое применение получили следующие гальваномагнитные явления: эффект Холла, эффект магнитосопротивления (называемый также эффектом Гаусса), магнитодиодный эффект. Другие гальваномагнитные явления – эффект Эттингсгаузена и эффект Нернста не находят широкого практического приложения.

Гальваномагнитные эффекты возникают под действием поперечного магнитного поля при протекании через образец электрического тока. В то же время для термомагнитных эффектов, сопутствующих гальваномагнитным, первичными являются тепловой поток и нормальное к нему магнитное поле. Классификация гальвано– и термомагнитных эффектов приведена в табл. 3.1 1.

Величина продольных эффектов (кроме эффекта Гаусса) по сравнению с напряжением питания пренебрежимо мала. Поэтому кратко рассмотрим лишь поперечные эффекты, сопровождающие эффект Холла.

Эффект Эттингсгаузена заключается в появлении поперечной разности температур под влиянием протекающего через образец тока и перпендикулярного к нему магнитного поля. В результате эффекта Эттингсгаузена в холловской пластине возникает термо–ЭДС, которая прибавляется к напряжению Холла.

Поперечный эффект Нернста – Эттингсгаузена заключается в появлении поперечного напряжения в пластине под влиянием магнитного поля и теплового потока. Знак напряжения Нернста – Эттингсгаузена зависит от направления магнитного поля и не зависит от направления тока.

Эффект Риги–Ледюка заключается в появлении поперечного градиента температуры в полупроводниковой пластине, в которой имеется продольный градиент температуры, при воздействии магнитного поля. В результате этого эффекта на потенциальных электродах датчика Холла (ДХ) появляется термо–ЭДС. Ее знак положительный для полупроводника р-типа и отрицательный для полупроводника n-типа.

Таблица 3.1

Классификация гальвано- и термомагнитных эффектов

Эффекты	Поперечный	Продольный
Гальваномагнитные	Эффект Холла (поперечная разность потенциалов) Эффект Эттингсгаузена (поперечная разность температур)	Эффект Гаусса (изменение удельного сопротивления в магнитном поле) Эффект Нернста (продольная разность температур)
Термомагнитные	Эффект Риги–Ледюка (поперечная разность температур) Эффект Нернста–Эттин-гсгаузена (поперечная разность потенциалов)	Эффект Маджи–Риги–Ледюка (изменение теплопроводности в магнитном поле) Продольный эффект Нернста–Эттингсгаузена (продольная разность температур)

2. Эффект Холла

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) 2,5. Эта разность потенциалов (ЭДС) пропорциональна величине векторного произведения напряженности поля и тока H·I. Эффект Холла иллюстрируется рис. 3.1. Рассмотрим параллелепипед из проводника или полупроводника, через который идет ток.

При отсутствии магнитного поля поток электронов не искажается (рис. 3.1 а). Если материал однороден, то поток электронов имеет одинаковую плотность. При наличии магнитного поля силы Лоренца отклоняют электроны и искривляют их траектории (рис. 3.1 б). 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 Е₂, 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 (рис. 3.1 в). В опытах Эдвина Холла пластина была металлическая, и возникающая разность потенциалов (ЭДС Холла) была чрезвычайно мала. Для увеличения ЭДС Холла необходима малая концентрация носителей в пластине при высокой их скорости – этим условиям удовлетворяют полупроводниковые материалы. В настоящее время датчики Холла изготавливают исключительно из полупроводниковых материалов. Их высокое удельное сопротивление позволяет получить ЭДС Холла величиной не более нескольких нановольт. Полупроводниковые материалы обладают большой подвижностью носителей зарядов. Подвижностью носителей заряда называется отношение скорости движения носителей к напряженности электрического поля, вызывающего это движение

Е

(3.2)

(3.1)

(3.3)

(3.4)

(3.5)

сли учесть, что удельная проводимость материала

то постоянная Холла

ЭДС Холла пропорциональна току I, пропускаемому через пластину, и магнитной индукции B

где h –толщина пластины, мм.

Эквипотенциальные линии в пластине Холла при появлении магнитного поля поворачиваются на некоторый угол , называемый углом Холла, тангенс которого определяется выражением

При определении тангенса угла Холла следует иметь в виду, что подвижность носителей  (как электронов, так и дырок) падает с ростом магнитной индукции (рис. 3.2).

3.1.3. 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(As_0,8P_0,2).

Как правило, используются полупроводники с электронной проводимостью, поскольку они имеют значительно бóльшую 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.

Рассмотрим материалы для изготовления ДХ 7, 8, 10 (табл. 3.2, 3.3).

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 (рис. 3.3 – 3.5).

Таблица 3.2