Глава 14

ДАТЧИКИ ХОЛЛА И МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ

§ 14.1. Физические основы эффекта Холла и эффекта магнитосопротивления

Эффект Холла — это физическое явление, которое заключается в следующем. Рассмотрим пластинку (рис. 14.1) из проводящего мате­риала, вдоль которой проходит ток /. Если перпендикулярно плос­кости пластинки и направлению тока действует магнитное поле на­пряженностью Я, то в пластине возникает ЭДС, пропорциональная и току, и напряженности магнитного поля:

где К= k_x I d — коэффициент, зависящий от материала и толщины пластины d\ k_x — постоянная Холла. '

Направление этой ЭДС, которая на-1ывается ЭДС Холла, перпендикулярно •оку и полю, т. е. ее можно замерить яежду боковыми продольными гранями шастины (рис. 14.1) с помощью элект-юизмерительного прибора. Причина юявления ЭДС Холла в том, что на (вяжущиеся заряды в магнитном поле (ействует сила Лоренца. Ток в пласти-ie — это и есть упорядоченное движе­ние зарядов (в металле — электронов). Под действием магнитного поля они смещаются перпендикулярно направлению своего движе­ния и вблизи одной продольной грани возникает избыток зарядов, а вблизи другой — недостаток. В обычных проводниковых материалах ЭДС Холла очень мала, что объясняется малой скоростью (точнее — подвижностью) носителей тока из-за их большой концентрации. Хотя эффект Холла известен уже более ста лет, практическое приме­нение его началось лишь в итоге развития технологии получения полупроводников. Именно в чистых полупроводниках обеспечива­ется высокая подвижность носителей тока, поэтому постоянная Холла для чистых полупроводников во много раз больше, чем для металлов.

Эффект магнитосопротивления— это другое физическое явле­ние, заключающееся в изменении сопротивления проводящих тел в магнитном поле. Объясняется это тем, что в присутствии магнитно­го поля на носители тока действует сила Лоренца, изменяющая тра­екторию их движения. Если бы не было магнитного поля, то под действием приложенного к проводящему телу напряжения носители тока перемещались бы по кратчайшему направлению. Изменение траектории под действием магнитного поля всегда удлиняет путь носителей тока, что проявляется как увеличение сопротивления. В сильных поперечных магнитных полях некоторые вещества могут иметь относительное увеличение сопротивления а = ДЛ/Л в десятки раз. Чаще всего величина а связана с напряженностью магнитного поля Н квадратичной зависимостью

где k_r — коэффициент, зависящий от материала и размеров.

Эффекты Холла и магнитосопротивления используются в датчи­ках, с помощью которых могут быть измерены различные электри­ческие и магнитные величины. Кроме того, они могут использова­ться для математической обработки электрических сигналов: сложе-

ния, умножения, деления, возведения в квадрат и извлечения корня; для различных преобразований электрических сигналов.

§ 14.2. Материалы для датчиков Холла и датчиков магнитосопротивления

Использование датчиков Холла для целей автоматического измере­ния будет рациональным в том случае, если они имеют достаточно высокую чувствительность и мало подвержены влиянию температу­ры. Чувствительность датчика зависит от выходной ЭДС, т. е. от по­стоянной Холла, которая, в свою очередь, определяется подвижно­стью носителей тока. В проводящих телах носителями тока являют­ся электроны. При обычных температурах электроны находятся в хаотическом тепловом движении с самыми различными скоростя­ми. Однако если вдоль тела создать электрическое поле Е, прило­жив напряжение U, то все электроны начнут передвигаться в на­правлении поля с некоторой средней скоростью v (при этом отдель­ные электроны могут иметь как большую, так и меньшую скорости). Подвижность носителей тока (/я) определяется как отно­шение скорости v к напряженности электрического поля £:

Подвижность зависит от того, как часто электрон при своем движении сталкивается с решеткой твердого тела. Следует особо от­метить, что большое значение ЭДС Холла еще не означает, что в этом веществе велик эффект Холла и оно годится для технических применений. Большое значение ЭДС может быть получено за счет большого напряжения U, т. е. больших затрат электрической энер­гии. В то же время в другом материале такая же ЭДС Холла и те же скорости носителей тока могут быть получены при меньшем напря­жении только за счет большей подвижности. Такой материал выгод­нее для применения в датчике Холла.

Короче говоря, основным требованием, предъявляемым к мате­риалам для датчиков, является сочетание большой подвижности но­сителей тока с минимальными температурными зависимостями.

В зависимости от технологии изготовления различают кристал­лические (в форме пластинки) и пленочные датчики.

В качестве материала кристаллических датчиков используются различные соединения индия; мышьяковистый индий InAs, фосфид индия InP, сурьмянистый индий InSb, а также германий Ge и крем­ ний .Si.

Наибольшее значение постоянной Холла у материала InSb, но оно сильно зависит от температуры. На рис. 14.2 по­казаны зависимости постоянной Холла от температуры для разных материалов (/ — InSb, 2 — InAs, 3 — твердый раствор InAs и 1пР). Для германия постоянная Холла в десятки раз меньше, но он обла­дает значительно большим удельным со­противлением. Из германия можно де­лать датчики с сопротивлением в неско­лько килоом. Еще большим удельным сопротивлением обладает кремний, но его труднее очистить от примесей. Высо­кую степень очистки полупроводниковых материалов получают при плавке в кос­мических лабораториях. Для размещения в узких зазорах очень удобны пленочные дат­чики Холла. Для их изготовления используется метод испарения в вакууме исходного вещества с последующим осаждением на под­ложку из слюды. Толщина пленочных датчиков составляет 10—30 мкм, что в сотни раз меньше, чем у кристаллических датчи­ков. Материалом для пленочных датчиков служат соединения ртути: селенид ртути HgSe и теллурид ртути HgTe. Чем тоньше пленка, тем меньше постоянная Холла. По своим возможностям применения в системах автоматики пленочные датчики примерно равноценны с германиевыми и даже лучше по температурной стабильности. Но они очень дорогие. В настоящее время проводятся исследования новых материалов, пригодных для использования в датчиках Холла и магнитосопротивления.