БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ХО)
Соч.: On the new action of magnetism on a permanent electric current, «The Philosophical Magazine», 1880, v. 10, p. 301.
Лит.: Prof. Е. Н. Hall, «Nature», 1939, v. 143, № 3613, p. 149.
Холла эдс датчик
Хо'лла эдс да'тчик, элемент автоматики, радиоэлектроники и измерительной техники, используемый в качестве измерительного преобразователя , действие которого основано на Холла эффекте . Представляет собой топкую прямоугольную пластину (площадью несколько мм2 ) или плёнку, изготовленную из полупроводника (Si, Ge, InSb, InAs), имеет 4 электрода для подвода тока и съёма эдс Холла. Чтобы избежать механических повреждений, пластинки Х. э. д. монтируют (а плёнку напыляют в вакууме) на прочной подложке из диэлектрика (слюды, керамики). Для получения наибольшего эффекта толщина пластины (плёнки) делается возможно меньшей. Х. э. д. применяют для бесконтактного измерения магнитных полей (от 10-6 до 105 э ). При измерении слабых магнитных полей пользуются Х. э. д., вмонтированным в зазоре ферро- или ферримагнитного стержня (концентратора), что позволяет значительно повысить чувствительность датчика. Т. к. в полупроводниках концентрация носителей зарядов (а следовательно, и коэффициент Холла) может зависеть от температуры, то в случае точных измерений необходимо либо термостатировать Х. э. д., либо применять сильнолегированные полупроводники (последнее снижает чувствительность датчика).
При помощи Х. э. д. можно измерять любую физическую величину, которая однозначно связана с магнитным полем; в частности, можно измерять силу тока, т. к. вокруг проводника с током образуется магнитное поле, которое можно измерить. На основе Х. э. д. созданы амперметры на токи до 100 ка. Х. э. д. применяют в аналоговых перемножающих устройствах; при этом токи, пропорциональные перемножаемым величинам, используются один для питания Х. э. д., другой — для создания магнитного поля. Эдс Холла при этом оказывается пропорциональной произведению этих величин. Кроме того, Х. э. д. применяют в измерителях линейных и угловых перемещении, а также в измерителях градиента магнитного поля, магнитного потока и мощности электрических машин, в бесконтактных преобразователях постоянного тока в переменный и, наконец, в воспроизводящих головках систем звукозаписи.
Лит. см. при ст. Холла эффект , Датчик .
Ю. П. Гайдуков.
Холла эффект
Хо'лла эффе'кт, появление в проводнике с током плотностью j, помещенном в магнитное поле Н, электрического поля Ex , перпендикулярного Н и I . Напряжённость электрического поля (поля Холла) равна:
Ex = Rhjsin a, (1)
где a угол между векторами Н и f (a < 180°). Если H ^ j, то величина поля Холла E x максимальна: E x = RHj. Величина R, называется коэффициентом Холла, является основной характеристикой Х. э. Эффект открыт Э. Г. Холлом в 1879 в тонких пластинках золота. Для наблюдения Х. э. вдоль прямоугольных пластин из исследуемых веществ, длина которых l значительно больше ширины b и толщины d, пропускается ток I = jbd (см. рис. ); магнитное поле перпендикулярно плоскости пластинки. На середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены электроды, между которыми измеряется эдс Холла Vx .
Vx = Ex b = RHj/d. (2)
Т. к. эдс Холла меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то Х. э. относится к нечётным гальваномагнитным явлениям .
Простейшая теория Х. э. объясняет появление эдс Холла взаимодействием носителей тока (электронов проводимости и дырок) с магнитным полем. Под действием электрического поля носители заряда приобретают направленное движение (дрейф), средняя скорость которого (дрейфовая скорость) vдр ¹ 0. Плотность тока в проводнике j = n ×evдр , где n — концентрация числа носителей, e — их заряд. При наложении магнитного поля на носители действует Лоренца сила : F = е [Нvдр ], под действием которой частицы отклоняются в направлении, перпендикулярном vдр и Н. В результате в обеих гранях проводника конечных размеров происходит накопление заряда и возникает электростатическое поле — поле Холла. В свою очередь поле Холла действует на заряды и уравновешивает силу Лоренца. В условиях равновесия eEx = eHvдр , , отсюда R = 1/ne см3 /кулон. Знак R совпадает со знаком носителей тока. Для металлов , у которых концентрация носителей (электронов проводимости) близка к плотности атомов (n » 1022 см-3 ), R ~ 10-3 см3 /кулон, у полупроводников концентрация носителей значительно меньше и R~ 10-5 см3 /кулон. Коэффициент Холла R может быть выражен через подвижность носителей заряда m = е t/m* и удельную электропроводность s = j/E = envдр Е:
R = m/s. (3)
Здесь m*— эффективная масса носителей, t — среднее время между 2 последовательными соударениями с рассеивающими центрами.
Иногда при описании Х. э. вводят угол Холла j между током j и направлением суммарного поля Е: tgj = Ex /E = Wt, где W — циклотронная частота носителей заряда. В слабых полях (Wt << 1) угол Холла j » Wt можно рассматривать как угол, на который отклоняется движущийся заряд за время t. Приведённая теория справедлива для изотропного проводника (в частности, для поликристалла ), у которого m* и t — постоянные величины. Коэффициент Холла (для изотропных полупроводников) выражается через парциальные проводимости sэ и sд и концентрации электронов nэ и дырок nд :
(4)
При nэ = nд = n для всей области магнитных полей , а знак R указывает на преобладающий тип проводимости.
Для металлов величина R зависит от зонной структуры и формы Ферми поверхности . В случае замкнутых поверхностей Ферми и в сильных магнитных полях (Wt >> 1) коэффициент Холла изотропен, а выражения для R совпадают с формулой 4, б. Для открытых поверхностей Ферми коэффициент R анизотропен. Однако, если направление Н относительно кристаллографических осей выбрано так, что не возникает открытых сечений поверхности Ферми, то выражение для R аналогично 4, б .
В ферромагнетиках на электроны проводимости действует не только внешнее, но и внутреннее магнитное поле: В = Н + 4pМ. Это приводит к особому ферромагнитному Х. э. Экспериментально обнаружено, что Ex = (RB + Ra M ) j, где R — обыкновенный, a Ra — необыкновенный (аномальный) коэффициент Холла. Между Ra и удельным электросопротивлением ферромагнетиков установлена корреляция.
Исследования Х. э. сыграли важную роль в создании электронной теории твёрдого тела . Х. э. — один из наиболее эффективных современных методов изучения энергетического спектра носителей заряда в металлах и полупроводниках. Зная R, можно определить знак носителей и оценить их концентрацию, а также часто сделать заключение о количестве примесей в веществе, например в полупроводнике. Он имеет также ряд практических применений: используется для измерения напряжённости магнитного поля (см. Магнитометр ), усиления постоянных токов (в аналоговых вычислительных машинах ), в измерительной технике (бесконтактный амперметр) и т.д. (подробно см. Холла эдс датчик ).
Лит.: Hall Е. Н., On the new action of magnetism on a permanent electric current, «The Philosophical Magazine», 1880, v. 10, p. 301; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Займан Дж., Электроны и фононы. Теория явлений переноса в твердых телах, пер. с англ., М., 1962; Вайсс Г., физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их применение, пер. с нем., М., 1974; Ангрист Ст., Гальваномагнитные и термомагнитные явления, в сборнике: Над чем думают физики, в. 8. Физика твёрдого тела. Электронные свойства твёрдого тела, М., 1972, с. 45—55.
