Hall-ov efekt i senzori temeljeni na njemu

Hallov efekt otkrio je 1879. godine američki znanstvenik Edwin Herbert Hall. Njegova je suština sljedeća (vidi sliku). Ako strujna struja prolazi kroz vodljivu ploču i magnetsko polje je usmjereno okomito na ploču, tada se napon pojavljuje u smjeru koji je poprečno na struju (i smjer magnetskog polja): Uh = (RhHlsinw) / d, gdje je Rh koeficijent Halla, koji ovisi o materijalu vodiča; H je jakost magnetskog polja; I struja u vodiču; w kut između smjera struje i vektora indukcije magnetskog polja (ako je w = 90 °, sinw = 1); d je debljina materijala.

Zbog činjenice da je izlazni učinak određen proizvodom dvije količine (H i I), Hallovi senzori se vrlo često koriste. Tablica prikazuje Hallove koeficijente za različite metale i legure. Oznake: T - temperatura; B je magnetski tok; Rh - Hall koeficijent u jedinicama m3 / C

Daljinski preklopnici sa efektom Hall koji se temelje na Hall efektu prilično su široko korišteni u inozemstvu od početka 70-ih. Prednosti ovog prekidača su visoka pouzdanost i izdržljivost, male dimenzije, a nedostaci su stalna potrošnja energije i relativno visoki trošak.

Princip rada Halovog generatorai

Hall senzor ima prorezni dizajn. Poluvodič je smješten na jednoj strani utora, kroz koji struja teče kada je paljenje uključeno, a s druge strane, stalni magnet.

U magnetskom polju na pokretne elektrone utječe sila. Vektor sile okomit je na smjer magnetske i električne komponente polja.

Ako se poluvodička rezina (na primjer, iz indijevog arsenida ili indijevog antimonida) uvede u magnetsko polje indukcijom u električnu struju, tada nastaje potencijalna razlika na stranama, okomito na smjer struje. Hallov napon (Hall EMF) proporcionalan je struji i magnetskoj indukciji.

Između ploče i magneta postoji jaz. U praznini senzora je čelični ekran. Kada u praznini nema zaslona, ​​magnetsko polje djeluje na poluvodičku ploču i uklanja se potencijalna razlika s njega. Ako je ekran u praznini, tada se magnetske sile zatvaraju kroz ekran i ne djeluju na ploču, u tom slučaju se razlika potencijala ne pojavljuje na ploči.

Integrirani krug pretvara razlike potencijala stvorene na ploči u negativne naponske impulse određene vrijednosti na izlazu senzora. Kad je ekran u praznini senzora, bit će napona na njegovom izlazu, ako nema zaslona u praznini senzora, tada je napon na izlazu senzora blizu nule.

Frakcijski kvantni Hall-ov efekt

Mnogo je pisalo o Hall učinku, ovaj se efekt intenzivno koristi u tehnologiji, ali znanstvenici ga i dalje proučavaju. Godine 1980. njemački fizičar Klaus von Klitzung proučavao je djelovanje Hallove efekte pri najnižim temperaturama. U tankoj poluvodičkoj ploči von Klitzung je glatko promijenio jačinu magnetskog polja i ustanovio da se Hallov otpor ne mijenja glatko, već u skokovima. Veličina skoka nije ovisila o svojstvima materijala, već je bila kombinacija osnovnih fizičkih konstanti podijeljenih s konstantnim brojem. Pokazalo se da su zakoni kvantne mehanike nekako promijenili prirodu Hallovog efekta. Taj se fenomen nazvao integralnim kvantnim Hall učinkom. Za ovo otkriće von Klitzung je 1985. dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Dvije godine nakon otkrića von Klitzung-a u laboratoriji Bell Telephone-a (onog u kojem je otvoren tranzistor), zaposlenici Stormer i Tsui proučavali su kvantni Hall-ov efekt koristeći izuzetno čist uzorak velikog arlijeda galija napravljen u istoj laboratoriji.Uzorak je imao toliko visok stupanj čistoće da su ga elektroni prolazili od kraja do kraja bez susretanja s preprekama. Eksperiment Stormer i Tsui odvijao se na znatno nižoj temperaturi (gotovo apsolutnu nulu) i sa snažnijim magnetskim poljem nego u eksperimentu von Klitzung (milijun puta više od Zemljino magnetsko polje).

Na svoje veliko iznenađenje, Stormer i Tsui otkrili su skok u Hallovom otporu tri puta većem od otpora von Klitzung-a. Tada su otkrili još veće skokove. Rezultat je bila ista kombinacija fizičkih konstanti, ali podijeljena ne cijelim brojem, već dijelom brojem. Fizičari puštaju elektron kao konstantu koja se ne može podijeliti na dijelove. I u ovom su eksperimentu sudjelovale čestice s frakcijskim nabojima. Učinak je nazvan frakcijski kvantni Hall-ov efekt.

Godinu dana nakon ovog otkrića, zaposlenik laboratorija La Flin dao je teorijsko objašnjenje učinka. Izjavio je da kombinacija ultra-niske temperature i moćnog magnetskog polja uzrokuje da elektroni formiraju nestiskivu kvantnu tekućinu. Ali slika pomoću računalne grafike prikazuje protok elektrona (kuglica) koji probijaju ravninu. Grubosti u ravnini predstavljaju raspodjelu naboja jednog elektrona u prisutnosti magnetskog polja i naboja drugih elektrona. Ako se kvantnoj tekućini doda elektron, tada se formira određena količina kvazipartikata s frakcijskim nabojem (na slici je to prikazano kao skup strelica za svaki elektron).
1998. Horst Stormer, Daniel Tsui i Robert Laughlin dobili su Nobelovu nagradu za fiziku. Trenutno je H. Stormer profesor fizike na Sveučilištu Columbia, D. Tsui profesor na Sveučilištu Princeton, a R. Laughlin profesor na Sveučilištu Stanford.