Hall-Effekt und darauf basierende Sensoren

Der Hall-Effekt wurde 1879 vom amerikanischen Wissenschaftler Edwin Herbert Hall entdeckt. Sein Wesen ist wie folgt (siehe Abbildung). Wenn ein Strom durch eine leitende Platte geleitet wird und ein Magnetfeld senkrecht zur Platte gerichtet ist, erscheint die Spannung in der Richtung quer zum Strom (und zur Richtung des Magnetfelds): Uh = (RhHlsinw) / d, wobei Rh der Hall-Koeffizient in Abhängigkeit vom Material des Leiters ist; H ist die Magnetfeldstärke; Ich bin der Strom im Leiter; w ist der Winkel zwischen der Richtung des Stroms und dem Magnetfeldinduktionsvektor (wenn w = 90 °, sinw = 1); d ist die Dicke des Materials.

Aufgrund der Tatsache, dass der Ausgangseffekt durch das Produkt zweier Größen (H und I) bestimmt wird, sind Hallsensoren sehr weit verbreitet. Die Tabelle zeigt die Hall-Koeffizienten für verschiedene Metalle und Legierungen. Bezeichnungen: Т - Temperatur; B ist der magnetische Fluss; R.h - Hallkoeffizient in Einheiten von m3 / C.

Hall-Effekt-Näherungsschalter, die auf dem Hall-Effekt basieren, werden seit Anfang der 70er Jahre im Ausland häufig eingesetzt. Die Vorteile dieses Schalters sind hohe Zuverlässigkeit und Haltbarkeit, kleine Abmessungen und die Nachteile sind konstanter Energieverbrauch und relativ hohe Kosten.

Das Funktionsprinzip des Hallgeneratorsaber

Der Hallsensor ist geschlitzt. Auf einer Seite des Schlitzes befindet sich ein Halbleiter, durch den beim Einschalten der Zündung Strom fließt, und andererseits ein Permanentmagnet.

In einem Magnetfeld werden sich bewegende Elektronen durch eine Kraft beeinflusst. Der Kraftvektor ist senkrecht zur Richtung sowohl der magnetischen als auch der elektrischen Komponente des Feldes.

Wenn ein Halbleiterwafer (beispielsweise aus Indiumarsenid oder Indiumantimonid) durch Induktion in einen elektrischen Strom in ein Magnetfeld eingeführt wird, entsteht an den Seiten eine Potentialdifferenz senkrecht zur Stromrichtung. Die Hall-Spannung (Hall-EMF) ist proportional zum Strom und zur magnetischen Induktion.

Zwischen der Platte und dem Magneten befindet sich ein Spalt. In der Lücke des Sensors befindet sich ein Stahlsieb. Befindet sich kein Schirm im Spalt, wirkt ein Magnetfeld auf die Halbleiterplatte und die Potentialdifferenz wird von dieser entfernt. Befindet sich der Bildschirm in der Lücke, schließen sich die magnetischen Kraftlinien durch den Bildschirm und wirken nicht auf die Platte. In diesem Fall tritt die Potentialdifferenz nicht auf der Platte auf.

Die integrierte Schaltung wandelt die auf der Platte erzeugte Potentialdifferenz in negative Spannungsimpulse eines bestimmten Wertes am Ausgang des Sensors um. Befindet sich der Bildschirm in der Lücke des Sensors, liegt an seinem Ausgang eine Spannung an. Wenn sich in der Lücke des Sensors kein Bildschirm befindet, liegt die Spannung am Sensorausgang nahe Null.

Fractional Quantum Hall-Effekt

Es wurde viel über den Hall-Effekt geschrieben, dieser Effekt wird in der Technologie ausgiebig genutzt, aber Wissenschaftler untersuchen ihn weiterhin. 1980 untersuchte der deutsche Physiker Klaus von Klitzung die Funktionsweise des Hall-Effekts bei ultraniedrigen Temperaturen. In einer dünnen Halbleiterplatte änderte von Klitzung die Magnetfeldstärke reibungslos und stellte fest, dass sich der Hall-Widerstand nicht reibungslos ändert, sondern in Sprüngen. Die Größe des Sprungs hing nicht von den Eigenschaften des Materials ab, sondern war eine Kombination grundlegender physikalischer Konstanten geteilt durch eine konstante Zahl. Es stellte sich heraus, dass die Gesetze der Quantenmechanik die Natur des Hall-Effekts irgendwie veränderten. Dieses Phänomen wurde als integraler Quanten-Hall-Effekt bezeichnet. Für diese Entdeckung erhielt von Klitzung 1985 den Nobelpreis für Physik.

Zwei Jahre nach der Entdeckung von von Klitzung im Bell-Telefonlabor (in dem der Transistor geöffnet wurde) untersuchten die Mitarbeiter von Stormer und Tsui den Quanten-Hall-Effekt anhand einer außergewöhnlich sauberen Probe von großem Galliumarsenid, die im selben Labor hergestellt wurde.Die Probe hatte einen so hohen Reinheitsgrad, dass die Elektronen sie von Ende zu Ende passierten, ohne auf Hindernisse zu stoßen. Das Stormer- und Tsui-Experiment fand bei einer viel niedrigeren Temperatur (fast absoluter Nullpunkt) und mit stärkeren Magnetfeldern statt als im von Klitzung-Experiment (millionenfach höher als) Erdmagnetfeld).

Zu ihrer großen Überraschung fanden Stormer und Tsui einen dreimal größeren Sprung im Hall-Widerstand als den von Klitzung. Dann entdeckten sie noch größere Sprünge. Das Ergebnis war dieselbe Kombination physikalischer Konstanten, jedoch nicht durch eine ganze Zahl, sondern durch eine Bruchzahl geteilt. Physiker laden ein Elektron als Konstante auf, die nicht in Teile geteilt werden kann. Und an diesem Experiment nahmen sozusagen Teilchen mit fraktionierten Ladungen teil. Der Effekt wurde als fraktionierter Quanten-Hall-Effekt bezeichnet.

Ein Jahr nach dieser Entdeckung gab ein Mitarbeiter des La Flin-Labors eine theoretische Erklärung der Wirkung. Er erklärte, dass die Kombination aus extrem niedriger Temperatur und einem starken Magnetfeld dazu führt, dass die Elektronen eine inkompressible Quantenflüssigkeit bilden. Die Abbildung mit Computergrafik zeigt jedoch den Fluss von Elektronen (Kugeln), die das Flugzeug durchdringen. Rauheiten in der Ebene repräsentieren die Ladungsverteilung eines der Elektronen in Gegenwart eines Magnetfeldes und die Ladung anderer Elektronen. Wenn ein Elektron zu einer Quantenflüssigkeit hinzugefügt wird, wird eine bestimmte Menge von Quasiteilchen mit einer gebrochenen Ladung gebildet (in der Figur ist dies als ein Satz von Pfeilen für jedes Elektron gezeigt).
1998 erhielten Horst Stormer, Daniel Tsui und Robert Laughlin den Nobelpreis für Physik. Derzeit ist H. Stormer Professor für Physik an der Columbia University, D. Tsui Professor an der Princeton University und R. Laughlin Professor an der Stanford University.