Рис. 17.17. Прибор Корбино. По казанная форма тепа из вещест ва Холла обусловливает боль шое электрическое сопротив ление
носительно слабых полей, но при очень больших напряженностях поля имеет место другая зависимость. Сопротивление прибора Корбино зависит от напряжения Холла, тогда как магниторе зистивное сопротивление не зависит.
В соответствии с тем же самым общим принципом тепло бу дет переноситься от внешнего к внутреннему кольцу прибора Корбино, причем интенсивность теплового потока будет изме няться в зависимости от напряженности магнитного поля,
17.30. ЖИДКОСТНЫЙ ПРИБОР КОРБИНО
Все магнитоэлектрические и гальваномагнитные эффекты в своей основе связаны с возникновением поперечного электриче ского поля под действием сил Лоренца. Независимо от того, положительно или отрицательно заряжены носители, в твердом веществе или в жидкости они движутся, и независимо от причи ны их движения все они испытывают действие аналогичных сил и реагируют на это действие аналогичным образом. Так, в жидкостном приборе Корбино вторичный ток, образованный положительными и отрицательными ионами и циркулирующий по окружному пути, возникает в результате течения исходного тока по радиальному пути (точно так же, как и в устройстве, пока занном на рис. 17.17).
17.31. УСТРОЙСТВО С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ЭФФЕКТОМ ХОЛЛА
При обсуждении общих принципов, лежащих в основе гальваномагнитных явлений, рассматривались удельные величины — градиенты потенциала, плотности тока и т. п. Однако конкрет ное устройство Холла характеризуется абсолютными физиче скими величинами. В теле из определенного вещества с точно заданными размерами, в котором течет определенный ток, гене рируется определенное напряжение Холла, если это тело подвер жено действию особых заданных внешних условий, в частности,
помещено в магнитное поле с заданной напряженностью. Решаю щее влияние на рабочие характеристики устройства Холла ока зывают следующие практические факторы.-
1. Тип материала. Механизмы, порождающие эффект Холла, связаны со свойствами основного носителя и зависят от общих макроскопических характеристик вещества. На эти механизмы не влияют поверхностные эффекты, токи утечки и пороговые на пряжения в точках соединения с выводными проводами. Для того чтобы достигалось максимальное выходное напряжение, чувст вительный элемент устройства должен иметь большой коэффи циент Холла, а это требует большой подвижности носителей. Кроме того, поскольку чувствительность устройства ограничена на уровне теплового шума, необходимо поддерживать минимально возможную величину удельного сопротивления во избежание чрезмерного нагревания устройства током возбуждения. Опти мальное удовлетворение этих требований обеспечивается полу проводниками л-типа.
2. Размеры. Пусть чувствительный элемент устройства Хол ла имеет толщину с, ширину Ь и длину й, как показано на рис. 17.18. При конструировании устройства, которое должно иметь конкретное заданное значение сопротивления, нужно учесть, что напряжение Холла будет тем больше, чем больше размер Ь. Чтобы сопротивление оставалось постоянным, потребуется умень шение размеров а или й. В любом случае измерительный ток будет течь от источника с увеличенным импедансом. Это указы вает на возможность конструирования различных конфигураций устройства, из которых можно выбрать оптимальную для конк ретных условий и целей.
Рис. 17.18. Усройство с отрицательным эффектом Холла. Напряжение Холла, генерируемое в практическом устройстве с применением вещества Холла, значи тельно отличается от теоретически рассчитанного значения из-за влияния термопарных эффектов, процессов переноса тепла, подсоединения проводов и т. п.
3. Конфигурация. Для того чтобы устройство Холла можно было использовать на практике, его чувствительный элемент нужно снабдить электродами для подачи тока возбуждения и отвода измерительного тока. Размеры электродов и способ их соединения с чувствительным элементом оказывают значитель ное влияние на характеристики устройства. Электродная под кладка с продольным размером с частично шунтирует продоль ный градиент потенциала и вызывает перераспределение абсо лютной величины и направления тока в устройстве. Кроме того, хотя отводящие электроды предназначены только для измерения напряжения Холла, они наряду с этим напряжением будут вос принимать также часть продольного градиента потенциала, если их расположение в продольном направлении не удовлетворяет требуемым условиям равновесия.
4. Полнгальваномагнитные структуры. Отводящие электроды устройства Холла действуют в некотором отношении как погло тители тепла, допускающие возникновение теплового потока под влиянием эффекта Эттингсгаузена. Добавление результирующего продольного напряжения Нернста к продольному напряжению Холла, обусловленному измерительным током, увеличивает эф фективное сопротивление устройства. Конечно, к сопротивлениям Холла и Нернста добавляется магниторезистивное сопротивление. Изменение условий, влияющих на эти величины, влечет за собой
иизменение общего сопротивления устройства.
5.Температурные коэффициенты. При повышении температуры сопротивление вещества л-типа сначала увеличивается из-за уменьшения подвижности носителей. Однако при температурах выше некоторого определенного значения полупроводник л-типа превращается в собственный полупроводник, и сопротивление уменьшается вследствие увеличения заселенности носителей. Эти явления изменения сопротивления можно предотвратить, подав ток возбуждения от источника постоянного тока и уравновесив напряжение Холла противоположным по знаку напряжением. Между тем само напряжение Холла непрерывно уменьшается при повышении температуры, так как его значение зависит от подвиж ности носителей и плотности тока, но не зависит от заселенности носителей.
6.Тепловые эффекты. В результате неточности в располо жении отводящих электродов на выходе устройства Холла имеется остаточное напряжение при нулевом внешнем магнитном поле. Это напряжение смещения нуля существенно изменяется при малых изменениях тока возбуждения. Точное и надежное предска зание дрейфа напряжения смещения нуля практически не пред ставляется возможным. Его можно свести к минимуму только пу тем улучшения конструкции электродов. Напряжение смещения нуля также возникает в результате термоэлектрических эффектов, порождаемых различием свойств материалов, используемых для
изготовления устройства Холла. Влияние этого фактора можно минимизировать, поддерживая в цепи Холла постоянную и равно мерно распределенную температуру.
7. Магнитное поле. Напряжение Холла пропорционально произведению величин тока возбуждения и напряженности маг нитного поля, направленного перпендикулярно направлению этого тока. Если ток возбуждения и магнитное поле направлены не перпендикулярно по отношению друг к другу, то напряжение Холла будет меньше на величину, пропорциональную синусу угла отклонения от взаимно перпендикулярного направления.
8. Устройство с положительным эффектом Холла. Вследствие того что обычно подвижность дырок меньше, чем подвижность электронов, для конструирования устройств с положительным эффектом Холла имеется мало побудительных мотивов, хотя такие устройства обладают некоторыми характеристиками, су щественно отличающимися от характеристик устройств с отри цательным эффектом Холла. Прежде всего, конечно, нужно отметить противоположные направления напряжений Холла в этих устройствах. Фактически возможность получения положи тельного напряжения Холла является одним из неопровержимых доказательств существования дырок. Различие между указанными устройствами состоит также и в том, что в устройстве с поло жительным эффектом Холла напряжение Холла уменьшается при повышении температуры, как и в устройстве с отрицательным эффектом Холла, однако это уменьшение простирается до самого нуля. По достижении определенной температуры напряжение Холла меняет знак на противоположный и данное устройство превращается в устройство с отрицательным эффектом Холла. Это значение температуры, называемое точкой обращения Холла, лежит в области температур, где вещество р-типа переходит в собственный полупроводник. Даже в тех случаях, когда дырки и электроны возникают одновременно в виде пар, доминирующую роль в генерации напряжения Холла играет большая подвижность электронов.
17.32.УМНОЖАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ХОЛЛА
Вумножающем устройстве Холла магнитное поле, требуемое для получения эффекта Холла, создается током, текущим в про воднике. Соответственно напряженность этого поля пропорцио нальна току. Напряжение Холла пропорционально как напря
женности магнитного поля, так и току возбуждения |
устройства. |
В итоге напряжение Холла (Ен) в умножающем |
устройстве |
будет пропорционально произведению тока, генерирующего маг нитное поле, (/■) и тока возбуждения устройства Холла (/г). Напряжение Холла пропорционально значению этого произведе ния при любых частотах изменения указанных токов, включая нулевую частоту (постоянный ток).
изготовления устройства Холла. Влияние этого фактора можно минимизировать, поддерживая в цепи Холла постоянную и равно мерно распределенную температуру.
7. Магнитное поле. Напряжение Холла пропорционально произведению величин тока возбуждения и напряженности маг нитного поля, направленного перпендикулярно направлению этого тока. Если ток возбуждения и магнитное поле направлены не перпендикулярно по отношению друг к другу, то напряжение Холла будет меньше на величину, пропорциональную синусу угла отклонения от взаимно перпендикулярного направления.
8. Устройство с положительным эффектом Холла. Вследствие того что обычно подвижность дырок меньше, чем подвижность электронов, для конструирования устройств с положительным эффектом Холла имеется мало побудительных мотивов, хотя такие устройства обладают некоторыми характеристиками, су щественно отличающимися от характеристик устройств с отри цательным эффектом Холла. Прежде всего, конечно, нужно отметить противоположные направления напряжений Холла в этих устройствах. Фактически возможность получения положи тельного напряжения Холла является одним из неопровержимых доказательств существования дырок. Различие между указанными устройствами состоит также и в том, что в устройстве с поло жительным эффектом Холла напряжение Холла уменьшается при повышении температуры, как и в устройстве с отрицательным эффектом Холла, однако это уменьшение простирается до самого нуля. По достижении определенной температуры напряжение Холла меняет знак на противоположный и данное устройство превращается в устройство с отрицательным эффектом Холла. Это значение температуры, называемое точкой обращения Холла, лежит в области температур, где вещество р-типа переходит в собственный полупроводник. Даже в тех случаях, когда дырки и электроны возникают одновременно в виде пар, доминирующую роль в генерации напряжения Холла играет большая подвижность электронов.
17.32.УМНОЖАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ХОЛЛА
Вумножающем устройстве Холла магнитное поле, требуемое для получения эффекта Холла, создается током, текущим в про воднике. Соответственно напряженность этого поля пропорцио нальна току. Напряжение Холла пропорционально как напря
женности магнитного поля, так и току возбуждения |
устройства. |
В итоге напряжение Холла (Ен) в умножающем |
устройстве |
будет пропорционально произведению тока, генерирующего маг нитное поле, (/■) и тока возбуждения устройства Холла (/г). Напряжение Холла пропорционально значению этого произведе ния при любых частотах изменения указанных токов, включая нулевую частоту (постоянный ток).