Hall-effect en daarop gebaseerde sensoren

Het Hall-effect werd in 1879 ontdekt door de Amerikaanse wetenschapper Edwin Herbert Hall. De essentie is als volgt (zie figuur). Als een stroom door een geleidende plaat wordt geleid en een magnetisch veld loodrecht op de plaat wordt gericht, verschijnt de spanning in de richting dwars op de stroom (en de richting van het magnetische veld): Uh = (RhHlsinw) / d, waarbij Rh de Hall-coëfficiënt is, die afhankelijk is van het materiaal van de geleider; H is de sterkte van het magnetische veld; I is de stroom in de geleider; w is de hoek tussen de stroomrichting en de inductievector van het magnetische veld (als w = 90 °, sinw = 1); d is de dikte van het materiaal.

Omdat het outputeffect wordt bepaald door het product van twee hoeveelheden (H en I), worden Hall-sensoren zeer veel gebruikt. De tabel toont de Hall-coëfficiënten voor verschillende metalen en legeringen. Benamingen: Т - temperatuur; B is de magnetische flux; Rh - Hall-coëfficiënt in eenheden van m3 / C.

Hall-effect naderingsschakelaars op basis van het Hall-effect worden al sinds het begin van de jaren 70 in het buitenland gebruikt. De voordelen van deze schakelaar zijn een hoge betrouwbaarheid en duurzaamheid, kleine afmetingen en de nadelen zijn een constant energieverbruik en relatief hoge kosten.

Het werkingsprincipe van de Hall-generatoren

De Hall-sensor heeft een sleufontwerp. Een halfgeleider bevindt zich aan de ene kant van de gleuf, waardoor stroom vloeit wanneer het contact wordt ingeschakeld, en aan de andere kant een permanente magneet.

In een magnetisch veld worden bewegende elektronen beïnvloed door een kracht. De krachtvector staat loodrecht op de richting van zowel de magnetische als de elektrische componenten van het veld.

Als een halfgeleiderwafer (bijvoorbeeld van indiumarsenide of indiumantimonide) in een magnetisch veld wordt geïntroduceerd door inductie in een elektrische stroom, ontstaat er een potentiaalverschil aan de zijkanten, loodrecht op de stroomrichting. Hall-spanning (Hall EMF) is evenredig met stroom en magnetische inductie.

Er is een opening tussen de plaat en de magneet. In de opening van de sensor zit een stalen scherm. Wanneer er geen scherm in de opening is, werkt een magnetisch veld op de halfgeleiderplaat en wordt het potentiaalverschil eruit verwijderd. Als het scherm zich in de opening bevindt, dan sluiten de magnetische krachtlijnen door het scherm en werken niet op de plaat, in dit geval treedt het potentiaalverschil niet op de plaat op.

De geïntegreerde schakeling zet het potentiaalverschil dat op de plaat is gecreëerd om in negatieve spanningspulsen van een bepaalde waarde aan de uitgang van de sensor. Wanneer het scherm zich in de opening van de sensor bevindt, staat er spanning op de uitgang. Als er geen scherm in de opening van de sensor zit, is de spanning op de sensoruitgang bijna nul.

Fractioneel kwantum Hall-effect

Er is veel geschreven over het Hall-effect, dit effect wordt op grote schaal gebruikt in de technologie, maar wetenschappers blijven het bestuderen. In 1980 bestudeerde de Duitse natuurkundige Klaus von Klitzung de werking van het Hall-effect bij zeer lage temperaturen. In een dunne halfgeleiderplaat veranderde von Klitzung soepel de magnetische veldsterkte en ontdekte dat de Hall-weerstand niet soepel verandert, maar in sprongen. De grootte van de sprong was niet afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal, maar was een combinatie van fundamentele fysieke constanten gedeeld door een constant aantal. Het bleek dat de wetten van de kwantummechanica op de een of andere manier de aard van het Hall-effect veranderden. Dit fenomeen wordt het integrale kwantum Hall-effect genoemd. Voor deze ontdekking ontving von Klitzung in 1985 de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Twee jaar na de ontdekking van von Klitzung in het Bell Telephone-laboratorium (het laboratorium waarin de transistor werd geopend), bestudeerden de werknemers van Stormer en Tsui het quantum Hall-effect met behulp van een uitzonderlijk schoon monster van groot galliumarsenide dat in hetzelfde laboratorium was gemaakt.Het monster had zo'n hoge mate van zuiverheid dat de elektronen het van begin tot eind passeerden zonder obstakels tegen te komen. Het Stormer- en Tsui-experiment vond plaats op een veel lagere temperatuur (bijna absoluut nul) en met krachtigere magnetische velden dan in het von Klitzung-experiment (een miljoen keer meer dan Aardmagnetisch veld).

Tot hun grote verrassing vonden Stormer en Tsui een sprong in Hall-weerstand die drie keer groter was dan die van von Klitzung. Toen ontdekten ze nog grotere sprongen. Het resultaat was dezelfde combinatie van fysische constanten, maar niet gedeeld door een geheel getal, maar door een fractioneel getal. Natuurkundigen laden een elektron op als een constante die niet in delen kan worden verdeeld. En aan dit experiment namen als het ware deeltjes met fractionele ladingen deel. Het effect werd het fractionele kwantum Hall-effect genoemd.

Een jaar na deze ontdekking gaf een medewerker van het La Flin-laboratorium een ​​theoretische verklaring van het effect. Hij verklaarde dat de combinatie van ultra lage temperatuur en een krachtig magnetisch veld ervoor zorgt dat de elektronen een niet-samendrukbare kwantumvloeistof vormen. Maar de figuur met behulp van computergrafieken toont de stroom elektronen (ballen) die het vliegtuig doorboren. Ruwheden in het vlak vertegenwoordigen de ladingsverdeling van een van de elektronen in aanwezigheid van een magnetisch veld en de lading van andere elektronen. Als een elektron wordt toegevoegd aan een kwantumvloeistof, wordt een bepaalde hoeveelheid quasipartikels met een fractionele lading gevormd (in de figuur wordt dit weergegeven als een set pijlen voor elk elektron).
In 1998 ontvingen Horst Stormer, Daniel Tsui en Robert Laughlin de Nobelprijs voor de natuurkunde. Momenteel is H. Stormer professor in de natuurkunde aan de Columbia University, D. Tsui is professor aan de Princeton University en R. Laughlin is professor aan de Stanford University.