Гальваномагниторекомбинационные преобразователи

Гальваномагнитные преобразователи (ГМП) основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц. В качестве измерительных преобразователей практическое применение получили главным образом полупроводниковые ГМП, основанные на использовании эффектов Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины, а эффект Гаусса, или магниторезистивный эффект, проявляется в изменении электрического сопротивления пластины. Оба эффекта обусловлены изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле, возникают одновременно и связаны между собой так, что каждый из них приводит к ослаблению другого. Выбирая определенным образом конструкцию и сплав материала преобразователя, можно усилить один из эффектов и ослабить другой, создавая таким образом преобразователи Холла, или магниторезистивные преобразователи.

Преобразователь Холла представляет собой четырехполюсник, обычно выполняемый в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала[1].

В магнитном поле носители заряда под действием сил Лоренца F=evB изменяют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, в то время как на противоположной грани – уменьшается. Возникающая при этом разность потенциалов (ЭДС Холла) определяется выражением

,

где R_ХЛ – постоянная Холла, зависящая от свойств материала преобразователя; j(К_ГЕОМ, θ) – функция, зависящая от геометрии преобразователя и так называемого угла Холла θ между векторами плотности тока и напряженности вызывающего его электрического поля, определяемого подвижностью носителей зарядов и значением магнитной индукции; a – угол между вектором магнитной индукции и магнитной осью преобразователя, совпадающей в первом приближении с нормалью к плоскости преобразователя.

Особенно сильно эффект Холла проявляется в германии (Ge), кремнии (Si) и в полупроводниках, состоящих из элементов III и V групп периодической системы. Постоянные Холла для полупроводниковых материалов имеют порядок 10^-2 – 10^-4 м³/(А·с), в то время как для чистых металлов, например для меди, R_ХЛ = 6·10^-11 м³/(А·с).

Кристаллические преобразователи Холла выполняются в виде тонких пластинок (d=0,01–0,2 мм), которые вырезаются из монокристаллов и шлифовкой доводятся до необходимой толщины. Выводы укрепляются на боковых гранях путем пайки или сварки. Пластинки наклеиваются на подложки из радиотехнической слюды, ультрафарфора или ситалла.

Хорошими метрологическими характеристиками отличаются пленочные преобразователи Холла из тонких поликристаллических пленок InAs и InSb на стеклянных подложках и преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур InSb и GaAs на подложках из полуизолирующего арсенида галлия. Чувствительный элемент преобразователя выполняется в виде тонкой пленки (5–10 мкм) способом фотолитографии. Такие преобразователи можно выполнять сложной формы с малой площадью чувствительной зоны (0,2´0,05 мм и не менее).

Выходная величина преобразователя Холла пропорциональна произведению двух входных величин – тока и магнитной индукции. Таким образом, преобразователь Холла является множительным преобразователем. При постоянных во времени I и В ЭДС Холла является постоянной величиной. Если одна из входных величин (В или I) постоянная, а другая – переменная, то ЭДС Холла будет переменной величиной той же частоты, что и частота входной величины. В случае если обе входные величины имеют одну и ту же частоту и сдви­нуты по фазе на угол j, ЭДС Холла будет состоять из постоянной и переменной двой­ной частоты составляющих:

Если ток изменяется с частотой w₁, а магнитная индукция – с частотой w₂, то ЭДС Холла содержит две составляющие, одна из которых имеет частоту w₁ – w₂, а другая w₁ + w₂ .

Входное сопротивление R_ВХ преобразователя Холла определяется как сопротивление между токовыми электродами, а выходное сопротивление R_ВЫХ равно сопро­тивлению между Холловыми электродами. У серийно выпускаемых преобразовате­лей Холла R_ВХи R_ВЫХблизки по значению и лежат в пределах от 0,5 Ом до нескольких килоом. Вследствие магниторезистивного эффекта R_ВХ и R_ВЫХ увеличиваются с ростом магнитной индукции.

Гальваномагнитная чувствительность преобразователя Холла при a = 0 опре­деляется выражением

и для различных типов преобразователей составляет 0,3–10 В/(А∙Тл).

Чувствительность к магнитной индукции S_B определяется при номинальном значении входного тока I_НОМ= const как и для серийно выпускае­мых преобразователей составляет 0,03–1 В/Тл. Значение тока I_НОМ ограничено допустимой температурой перегрева преобразователя. Для высокоомных преобразова­телей допустимые значения токов составляют 5–50 мА, для низкоомных 100–200 мА. Гальваномагнитная чувствительность S_BI и чувствительность к магнитной индукции S_B зависят от магнитной индукции В, так как R_ХЛ = ¦₁ (В) и j = ¦₂ (В). Эти зависимости главным образом определяют нелинейность характеристик пре­образователей Холла в сильных полях.

Чувствительность к току S_I определяется при постоянном значении магнитной индукции В=const как . При индукции В=1 Тл чувствительность к току для различных типов преобразователей составляет 0,3–50 В/А.

Лучшими метрологическими характеристиками обладают преобра­зователи Холла типа ПХЭ на основе гетероэпитаксиальных структур антимонида индия, которые в зависимости от метрологических характеристик разделяются на классы А, Б и В. Некоторые разновидности этих преобразователей характеризуются очень малым температурным коэффициентом чувствительности (5 ¸ 10) 10^-5 K^-1, малым остаточным напряжением (10–70 мкВ), малой погрешностью линейности при магнитных индукциях до 15 Тл и широким диапазоном рабочих температур (от -271,5 до +100°С). Для работы при повышенных температурах (до 127–327°С) наиболее пригодны преобразователи Холла из арсенида галлия, которые имеют относительно малые температурные коэффициенты постоянной Холла и удельные сопротивления.

Остаточным напряжением преобразователя Холла называется напряжение, которое возникает между Холловыми электродами при прохождении через преобразователь тока в отсутствии магнитного поля. Причиной остаточного напряжения, в первую очередь, является расположение Холловых электродов в неэквипотенциальных точках пластины.