Hiệu ứng Hall và cảm biến dựa trên nó

Hiệu ứng Hall được phát hiện vào năm 1879 bởi nhà khoa học người Mỹ Edwin Herbert Hall. Bản chất của nó là như sau (xem hình). Nếu một dòng điện được truyền qua một tấm dẫn điện và từ trường được định hướng vuông góc với tấm, thì điện áp xuất hiện theo hướng ngang với dòng điện (và hướng của từ trường): Uh = (RhHlsinw) / d, trong đó Rh là hệ số Hall, phụ thuộc vào vật liệu của vật liệu; H là cường độ từ trường; Tôi là dòng điện trong dây dẫn; w là góc giữa hướng của dòng điện và vectơ cảm ứng từ trường (nếu w = 90 °, sinw = 1); d là độ dày của vật liệu.

Do hiệu ứng đầu ra được xác định bởi tích của hai đại lượng (H và I), cảm biến Hall được sử dụng rất rộng rãi. Bảng này cho thấy các hệ số Hall cho các kim loại và hợp kim khác nhau. Chỉ định: Т - nhiệt độ; B là từ thông; Rh - Hệ số hội trường tính theo đơn vị m3 / C.

Các công tắc lân cận hiệu ứng Hall dựa trên hiệu ứng Hall đã được sử dụng ở nước ngoài khá rộng rãi kể từ đầu những năm 70. Ưu điểm của công tắc này là độ tin cậy và độ bền cao, kích thước nhỏ và nhược điểm là tiêu thụ năng lượng không đổi và chi phí tương đối cao.

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện Hallnhưng

Cảm biến Hall có thiết kế có rãnh. Một chất bán dẫn được đặt ở một bên của khe, qua đó dòng điện chạy khi đánh lửa được bật, và mặt khác, một nam châm vĩnh cửu.

Trong một từ trường, các electron chuyển động bị ảnh hưởng bởi một lực. Vectơ lực vuông góc với hướng của cả hai thành phần từ tính và điện của trường.

Nếu một wafer bán dẫn (ví dụ, từ indium arsenide hoặc indium antimonide) được đưa vào từ trường thông qua cảm ứng thành một dòng điện, thì sự khác biệt tiềm năng phát sinh ở hai bên, vuông góc với hướng của dòng điện. Điện áp Hall (Hall EMF) tỷ lệ thuận với hiện tại và cảm ứng từ.

Có một khoảng cách giữa tấm và nam châm. Trong khe hở của cảm biến là một màn hình thép. Khi không có màn hình trong khe hở, từ trường sẽ tác động lên tấm bán dẫn và sự khác biệt tiềm năng được loại bỏ khỏi nó. Nếu có một màn hình trong khoảng trống, thì các đường sức từ sẽ xuyên qua màn hình và không tác động lên tấm, trong trường hợp này, sự khác biệt tiềm năng không xảy ra trên tấm.

Mạch tích hợp chuyển đổi sự khác biệt tiềm năng được tạo ra trên tấm thành các xung điện áp âm có giá trị nhất định ở đầu ra của cảm biến. Khi màn hình nằm trong khe hở của cảm biến, sẽ có điện áp ở đầu ra của nó, nếu không có màn hình trong khe hở của cảm biến, thì điện áp ở đầu ra cảm biến gần bằng không.

Hiệu ứng Hall lượng tử phân số

Phần lớn đã được viết về hiệu ứng Hall, hiệu ứng này được sử dụng rộng rãi trong công nghệ, nhưng các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu nó. Năm 1980, nhà vật lý người Đức Klaus von Klitzung đã nghiên cứu hoạt động của hiệu ứng Hall ở nhiệt độ cực nhanh. Trong một tấm bán dẫn mỏng, von Klitzung dần thay đổi cường độ từ trường và thấy rằng điện trở Hall không thay đổi trơn tru, nhưng trong các bước nhảy. Độ lớn của bước nhảy không phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, mà là sự kết hợp của các hằng số vật lý cơ bản chia cho một số không đổi. Hóa ra các định luật cơ học lượng tử bằng cách nào đó đã thay đổi bản chất của hiệu ứng Hall. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Hall lượng tử tích phân. Với phát hiện này, von Klitzung đã nhận được giải thưởng Nobel Vật lý năm 1985.

Hai năm sau khi phát hiện ra von Klitzung trong phòng thí nghiệm Chuông Điện thoại (một trong đó bóng bán dẫn được mở), các nhân viên của Stormer và Tsui đã nghiên cứu hiệu ứng Hall lượng tử bằng cách sử dụng một mẫu gallium arsenide lớn được làm trong cùng phòng thí nghiệm.Mẫu có độ tinh khiết cao đến mức các electron chuyển từ đầu này sang đầu kia mà không gặp phải trở ngại. Thí nghiệm Stormer và Tsui diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều (gần như bằng không tuyệt đối) và có từ trường mạnh hơn so với thí nghiệm von Klitzung (gấp một triệu lần so với Từ trường trái đất).

Trước sự ngạc nhiên to lớn của họ, Stormer và Tsui đã tìm thấy một bước nhảy trong kháng chiến Hall lớn gấp ba lần so với von Klitzung. Sau đó, họ phát hiện ra những bước nhảy lớn hơn. Kết quả là sự kết hợp giống nhau của các hằng số vật lý, nhưng không chia cho một số nguyên, mà bằng một số phân số. Các nhà vật lý sạc một electron như một hằng số không thể chia thành nhiều phần. Và trong thí nghiệm này, như đã từng, các hạt có điện tích phân đoạn đã tham gia. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Hall lượng tử phân đoạn.

Một năm sau phát hiện này, một nhân viên của phòng thí nghiệm La Flin đã đưa ra lời giải thích lý thuyết về hiệu quả. Ông tuyên bố rằng sự kết hợp giữa nhiệt độ cực thấp và từ trường cực mạnh khiến các electron tạo thành một chất lỏng lượng tử không thể nén được. Nhưng hình vẽ sử dụng đồ họa máy tính cho thấy dòng điện tử (quả bóng) xuyên qua mặt phẳng. Độ gồ ghề trong mặt phẳng thể hiện sự phân bố điện tích của một trong số các electron khi có từ trường và điện tích của các electron khác. Nếu một electron được thêm vào một chất lỏng lượng tử, thì một lượng quasiparticles nhất định có điện tích phân đoạn được hình thành (trong hình này được hiển thị dưới dạng một mũi tên cho mỗi electron).
Năm 1998, Horst Stormer, Daniel Tsui và Robert Smilelin đã được trao giải thưởng Nobel về Vật lý. Hiện tại, H. Stormer là giáo sư vật lý tại Đại học Columbia, D. Tsui là giáo sư tại Đại học Princeton và R. Smilelin là giáo sư tại Đại học Stanford.