HALLOTRONY

Hallotronami nazywamy elementy czterokońcówkowe, u podstaw działania których leży zjawisko Halla. ZJAWISKO HALLA W PÓŁPRZEWODNIKU W półprzewodniku, przez który przepływa prąd elektryczny i który został umieszczony w polu magnetycznym prostopadłym do kierunku prądu, powstaje po­przeczne pole elektryczne i różnica potencjałów. Różnica potencjałów napięcie Halla jest proporcjonalne do iloczynu gęstości prądu i indukcji magnetycznej. W warunkach przedstawionych na rys. 3.1 napięcie Halla wyraża wzór

gdzie: a  odległość pomiędzy elektrodami, którymi odbiera się napięcie Halla, RH~ stała Halla. Powstawanie poprzecznego pola elektrycznego tłumaczy się odchylaniem strumienia nośników przez pole magnetyczne. Siła pola magnetycznego działająca na nośniki jest równa

Wskutek odchylającego działania pola magnetycznego nośniki ładunku gro­madzą się przy jednej ścianie bocznej obszaru półprzewodnika. Jeśli mamy do czynienia z półprzewodnikiem domieszkowanym, to na ściance bocznej gromadzą się w nadmiarze nośniki większościowe. Zostaje zachwiana obojętność elektryczna obszaru półprze­wodnika. Pojawia się więc poprzeczne pole elektryczne, które powoduje unoszenie nośników w kierunku przeciwnym do powodowanego polem magnetycznym. W stanie ustalonym te dwa strumienie boczne równoważą się. Równowaga ta następuje właśnie przy napięciu Halla. Napięcie Halla jest przy danej wartości gęstości prądu i danej indukcji magne­tycznej proporcjonalne do iloczynu wymiaru poprzecznego obszaru półprzewodnika i stałej Halla. Stała ta dla półprzewodników domieszkowanych może być określona wzorami:  dla półprzewodników donorowych

BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIA HALLOTRONU Hallotron zwykle wykonuje się w postaci cienkiej, prostopadłościennej płytki lub warstwy półprzewodnikowej ulokowanej na cienkim podłożu ceramicznym, epo­ksydowym lub z miki (rys. 3.2). Obszar półprzewodnikowy hallotronu jest zaopatrzony

w cztery elektrody, dwie rozciągające się na całą długość krawędzi bocznych (prądowe) i dwie  punktowe, umieszczone w środku pozostałych krawędzi. Materiałem wyjściowym do produkcji hallotronów jest zwykle jeden ze związ­ków półprzewodnikowych (InSb, InAs, InAsP, HgSe) w postaci poli- lub monokry­ształu. Najczęściej z kryształu półprzewodnika wycina się obszar roboczy hallotronu. Stosuje się również technikę naparowywania materiału półprzewodnikowego na pod­łoże mikowe lub ceramiczne. Elektrody rozciągające się na całej krawędzi bocznej obszaru roboczego hal­lotronu służą do wytworzenia w nim odpowiedniej gęstości prądu, elektrody punktowe zaś służą do odbioru napięcia wyjściowego  napięcia Halla.

a) charakterystyki wyjściowe

Do podstawowych charakterystyk hallotronu zalicza się charakterystyki sta­tyczne, które przedstawiają związki pomiędzy wartościami stałymi napięcia wyjściowego a prądami ? sterującym i w obwodzie wyjściowym oraz indukcją magnetyczną dzia­łającymi na hallotron. Ogólnie charakterystyki statyczne przedstawiają pewne funkcje

b) charakterystyki oddziaływania prądu sterującego c) charakterystyki oddziaływania pola magnetycznego Charakterystyki statyczne mogą być traktowane w pierwszym przybliżeniu jako rodziny prostych spełniających równania: gdzie: c  grubość obszaru roboczego, Rf  rezystancja obszaru roboczego mierzona pomiędzy elektrodami punktowymi. Charakterystyki wyjściowe są praktycznie całkowicie liniowe, dlatego zamiast nich podaje się zwykle jedynie rezystancję wyjściową l?,, jako parametr charakterystyczny hallotronu. Innym parametrem hallotronu o podobnym znaczeniu jest rezystancja wej­ściowa Rx, która jest równa rezystancji obszaru roboczego mierzonej pomiędzy elektro­dami prądowymi. Charakterystyka oddziaływania pola magnetycznego jest również praktycznie rzecz biorąc liniowa, dlatego często w zamian tej charakterystyki podaje się dwa na­pięcia wyjściowe: 1) Uyc napięcie wyjściowe przy B = O i nominalnym prądzie sterującym /ť = Ix oraz Iy = O, 2) Uy napięcie wyjściowe przy B = l T lub innej konkretnej wartości roboczej i nominalnym prądzie sterującym oraz 7y = 0. Parametry Uye i Uyn w połączeniu z równaniami (3.8) i (3.9) pozwalają na odtworzenie całej rodziny charakterystyk oddziaływania pola magnetycznego. Parametr Uyc jest napięciem wynikającym z niesymetrii budowy hallotronu. Powodują go zarówno rozrzuty wymiarów, jak i niejednorodności materiału półprzewodnikowego. Dlatego podaje się zwykle jako Uyc wartość maksymalną napięcia niesymetrii, wyznaczoną w wyniku badań dużej serii produkcyjnej, jako wielkość normalnie nieprzekraczalną dla oferowanego wyrobu. Charakterystyki oddziaływania prądu sterującego są najbardziej zbliżone do liniowych dla małych prądów Ix. Przy większych prądach sterujących, w wyniku grzania się hallotronu następuje niewielkie zmniejszenie nachylenia tych charakterystyk. Zmiany temperatury hallotronu powodują niewielkie, ale w wielu zastosowa­niach mające już znaczenie, zmiany właściwości hallotronu. Następuje drobna zmiana stałej Halla i rezystywności, co objawia się zmianami napięcia wyjściowego hallotronu. Dlatego jednym z parametrów hallotronu jest temperaturowy współczynnik napięcia wyjściowego przy pracy w warunkach nominalnych

Współczynnik ten jest najbardziej zależny od rodzaju półprzewodnika, z któ­rego jest zbudowany hallotron. Zależy on również od sposobu zasilania hallotronu prądem Ix. Przy zasilaniu ze źródła o stałej wydajności prądowej

Współczynniki a i /3 dla typowych półprzewodników stosowanych na hallotrony mieszczą się w granicach: 0 = (10-3-=-l,25)%/K, a = (-1,0* +0,8)%/K, co daje dla (ty wartość rzędu % na kelwin (tablica 3.1).

Hallotrony znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, a przede wszystkim jako czujniki pola magnetycznego:  w miernictwie wielkości magnetycznych,  w badaniach właściwości magnetycznych materiałów,  w badaniach maszyn elektrycznych,  w pomiarach wielkości elektrycznych: 7, P, W,  w pomiarach wielkości nieelektrycznych, np. kąta obrotu, przesunięcia, drgań itp. Wykorzystuje się je jako elementy indywidualne lub podzespoły z magnetowodami. Układ pracy hallotronu jest bardzo prosty. Napięcie wyjściowe jest bezpośrednio odbierane z elektrod punktowych lub gdy jego spodziewany poziom jest zbyt mały  wyjście hallotronu łączy się bezpośrednio z wejściem układu wzmacniającego ze wzmac­niaczem operacyjnym.