Эффект Холла и датчики на его основе

Хасапов Борис Георгиевич

Эффект Холла был открыт в 1879 г. американским ученым Эдвином Гербертом Холлом. Его сущность состоит в следующем (см. рисунок). Если через проводящую пластинку пропускать ток, а перпендикулярно пластинке направить магнитное поле, то в направлении поперечном току (и направлению магнитного поля) на пластинке появится напряжение: Uh = (RhHlsinw)/d, где Rh - коэффициент Холла, зависящий от материала проводника; Н - напряженность магнитного поля; I - ток в проводнике; w - угол между направлением тока и вектором индукции магнитного поля (если w = 90°, sinw = 1); d - толщина материала.

Благодаря тому, что выходной эффект определяется произведением двух величин (Н и I), датчики Холла имеют весьма широкое применение. В таблице приведены коэффициенты Холла для различных металлов и сплавов. Обозначения: Т - температура; В - магнитный поток; Rh - коэффициент Холла в единицах м3 /Кл.

Бесконтактные клавишные переключатели на основе эффекта Холла применялись за рубежом довольно широко уже с начала 70-х годов. Достоинства этого переключателя - высокая надежность и долговечность, малые габариты, а недостатки - постоянное потребление энергии и сравнительно высокая стоимость.

Принцип действия генератора Холла

Датчик Холла имеет щелевую конструкцию. С одной стороны щели расположен полупроводник, по которому при включенном зажигании протекает ток, а с другой стороны - постоянный магнит.

В магнитном поле на движущиеся электроны воздействует сила. Вектор силы перпендикулярен направлению, как магнитной так и электрической составляющих поля.

Если внести в магнитное поле с индукцией В полупроводниковую пластинку (например, из арсенида индия или антимонида индия), через которую протекает электрический ток, то на боковых сторонах, перпендикулярно направлению тока, возникает разность потенциалов. Напряжение Холла (ЭДС Холла) пропорционально току и магнитной индукции.

Между пластинкой и магнитом имеется зазор. В зазоре датчика находится стальной экран. Когда в зазоре нет экрана, то на пластинку полупроводника действует магнитное поле и с нее снимается разность потенциалов. Если же в зазоре находится экран, то магнитные силовые линии замыкаются через экран и на пластинку не действует, в этом случае разность потенциалов на пластинке не возникает.

Интегральная микросхема преобразует разность потенциалов, создающуюся на пластинке, в отрицательные импульсы напряжения определенной величины на выходе датчика. Когда экран находится в зазоре датчика, то на его выходе будет напряжение, если же в зазоре датчика экрана нет, то напряжение на выходе датчика близкое к нулю.

Дробный квантовый эффект Холла

Об эффекте Холла написано много, этот эффект интенсивно используется в технике, но ученые продолжают его исследовать. В 1980 г. немецкий физик Клаус фон Клитцунг изучал работу эффекта Холла при сверхнизких температурах. В тонкой пластинке полупроводника фон Клитцунг плавно изменял напряженность магнитного поля и обнаружил, что сопротивление Холла изменяется не плавно, а скачками. Величина скачка не зависила от свойств материала, а являлась комбинацией фундаментальных физических констант, деленной на постоянное число. Получалось, что законы квантовой механики каким-то образом изменяли природу эффекта Холла. Это явление было названо интегральным квантовым эффектом Холла. За это открытие фон Клитцунг получил Нобелевскую премию по физике в 1985 г.

Два года спустя после открытия фон Клитцунга в лаборатории компании Bell Telephone (той самой, в которой был открыт транзистор) сотрудники Стормер и Тсуи изучали квантовый эффект Холла, используя исключительно чистый образец арсенида галлия большого размера, изготовленный в этой же лаборатории. Образец имел настолько высокую степень чистоты, что электроны проходили его из конца в конец, не встречая препятствий. Эксперимент Стормера и Тсуи проходил при гораздо более низкой температуре (почти абсолютный нуль) и с более мощными магнитными полями, чем в эксперименте фон Клитцунга (в миллион раз больше, чем магнитное поле Земли).

К своему большому удивлению Стормер и Тсуи обнаружили скачок в сопротивлении Холла в три раза больший, чем у фон Клитцунга. Затем они обнаружили еще большие скачки. Получалась та же комбинация физических постоянных, но деленная не на целое, а на дробное число. Заряд электрона у физиков считается константой, не делимой на части. А в этом эксперименте как бы участвовали частицы с дробными зарядами. Эффект был назван дробным квантовым эффектом Холла.

Год спустя после этого открытия сотрудник лаборатории Ла-флин дал теоретическое объяснение эффекта. Он заявил, что комбинация сверхнизкой температуры и мощного магнитного поля заставляет электроны образовывать несжимаемую квантовую жидкость. Но рисунке с помощью компьютерной графики показан поток электронов (шары), протыкающих плоскость. Неровности плоскости представляют распределение заряда одного из электронов в присутствии магнитного поля и заряда других электронов. Если электрон добавляется к квантовой жидкости, то образуется некоторое количество квазичастиц с дробным зарядом (на рисунке это показано как набор стрелок у каждого электрона).

В 1998 г. Хорст Стормер, Даниэль Тсуи и Роберт Лафлин были удостоены Нобелевской премии по физике. В настоящее время Х.Стормер - профессор физики Колумбийского университета, Д.Тсуи - профессор Принстонского университета, Р.Лафлин - профессор Стенфордского университета.