Halleffekt och sensorer baserade på den

Hall-effekten upptäcktes 1879 av den amerikanska forskaren Edwin Herbert Hall. Essensen är som följer (se figur). Om en ström passeras genom en ledande platta och ett magnetfält riktas vinkelrätt mot plattan visas spänningen i riktningen tvärs strömmen (och magnetfältets riktning): Uh = (RhHlsinw) / d, där Rh är Hall-koefficienten beroende på ledarens material; H är magnetfältstyrkan; Jag är strömmen i konduktorn; w är vinkeln mellan strömriktningen och magnetfältinduktionsvektorn (om w = 90 °, sinw = 1); d är materialets tjocklek.

Eftersom utgångseffekten bestäms av produkten av två kvantiteter (H och I), används Hall-sensorer mycket ofta. Tabellen visar Hall-koefficienter för olika metaller och legeringar. Beteckningar: Т - temperatur; B är det magnetiska flödet; Rh - Hallkoefficient i enheter av m3 / C.

Hall-effekt närhetsomkopplare baserade på Hall-effekten har använts utomlands ganska mycket sedan början av 70-talet. Fördelarna med denna switch är hög tillförlitlighet och hållbarhet, små dimensioner och nackdelarna är konstant energiförbrukning och en relativt hög kostnad.

Principen för Hall-generatorens driftoch

Hall-sensorn har en slitsad design. En halvledare är belägen på ena sidan av spåret, genom vilken ström flyter när tändningen slås på, och å andra sidan en permanent magnet.

I ett magnetfält påverkas rörliga elektroner av en kraft. Kraftvektorn är vinkelrätt mot riktningen för både de magnetiska och elektriska komponenterna i fältet.

Om en halvledarskiva (till exempel från indiumarsenid eller indiumantimonid) införs i ett magnetfält genom induktion till en elektrisk ström, uppstår en potentialskillnad på sidorna, vinkelrätt mot strömriktningen. Hallspänning (Hall EMF) är proportionell mot ström och magnetisk induktion.

Det finns ett mellanrum mellan plattan och magneten. I gapet i sensorn finns en stålskärm. När det inte finns någon skärm i gapet verkar ett magnetfält på halvledarplattan och potentialskillnaden tas bort från den. Om skärmen befinner sig i springan, stänger de magnetiska kraftlinjerna genom skärmen och verkar inte på plattan, i detta fall inträffar inte potentialskillnaden på plattan.

Den integrerade kretsen omvandlar potentialskillnaden som skapas på plattan till negativa spänningspulser med ett visst värde vid sensorns utgång. När skärmen är i gapet i sensorn kommer det att finnas spänning vid dess utgång, om det inte finns någon skärm i gapet på sensorn, så är spänningen vid sensorutgången nära noll.

Fraktionerad kvant Hall-effekt

Mycket har skrivits om Hall-effekten, denna effekt används i stor utsträckning inom teknik, men forskare fortsätter att studera den. 1980 studerade den tyska fysikern Klaus von Klitzung funktionen av Hall-effekten vid ultraljudstemperaturer. I en tunn halvledarplatta ändrade von Klitzung smidigt magnetfältstyrkan och fann att Hall-motståndet inte förändras smidigt, utan i hopp. Hoppets storlek berodde inte på materialets egenskaper utan var en kombination av grundläggande fysiska konstanter dividerat med ett konstant antal. Det visade sig att kvantmekanikens lagar på något sätt förändrade Hall-effekten. Detta fenomen har kallats den integrerade kvanta Hall-effekten. För denna upptäckt fick von Klitzung Nobelpriset i fysik 1985.

Två år efter upptäckten av von Klitzung i Bell Phone-laboratoriet (den där transistorn öppnades), studerade Stormer- och Tsui-anställda kvanta Hall-effekten med ett exceptionellt rent prov av stor galliumarsenid tillverkad i samma laboratorium.Provet hade så hög renhetsgrad att elektronerna passerade det från ände till slut utan att möta hinder. Stormer- och Tsui-experimentet ägde rum vid en mycket lägre temperatur (nästan absolut noll) och med kraftigare magnetfält än i von Klitzung-experimentet (en miljon gånger mer än Jordens magnetfält).

Till deras stora överraskning fann Stormer och Tsui ett hopp i Hall-motståndet tre gånger större än von Klitzung. Då upptäckte de ännu större språng. Resultatet var samma kombination av fysiska konstanter, men inte dividerat med ett heltal utan med ett bråknummer. Fysiker laddar en elektron som en konstant som inte kan delas in i delar. Och i detta experiment deltog, som det var, partiklar med fraktionella laddningar. Effekten kallades fraktionerad kvant Hall-effekt.

Ett år efter upptäckten gav en anställd på La Flin-laboratoriet en teoretisk förklaring av effekten. Han sade att kombinationen av ultra-låg temperatur och ett kraftfullt magnetfält får elektronerna att bilda en inkomprimerbar kvantvätska. Men figuren som använder datorgrafik visar flödet av elektroner (bollar) som tränger igenom planet. Grovheter i planet representerar laddningsfördelningen för en av elektronerna i närvaro av ett magnetfält och laddningen av andra elektroner. Om en elektron läggs till en kvantvätska, bildas en viss mängd kvasipartiklar med en fraktionerad laddning (i figuren visas detta som en uppsättning pilar för varje elektron).
1998 fick Horst Stormer, Daniel Tsui och Robert Laughlin Nobelpriset i fysik. För närvarande är H. Stormer professor i fysik vid Columbia University, D. Tsui är professor vid Princeton University och R. Laughlin är professor vid Stanford University.