5.2. Преобразователи Холла

5.2.1. Технология изготовления и конструкции

Ввиду того, что холловское напряжение обратно пропорционально концентрации носителей заряда, материалами для изготовления датчиков Холла являются полупроводники, а не металлы.

Преобразователи Холла могут быть изготовлены в виде пластинок прямоугольной формы, вырезанных из монокристаллического полупроводника (Si, Ge, GaAs, InAs) или из поликристалла, и в виде тонких пленок (HgSe, HgTe и их твердых растворов, InSb, GaAs, InAs) толщиной 1 – 10 мкм. В связи с тем, что холловское напряжения обратно пропорционально толщине образца, использование тонких пленок повышает эффективность датчиков Холла.

В настоящее время для изготовления тонких пленок используется технология эпитаксиального наращивания на полуизолирующих подложках. Обычно используются полупроводники n-типа, так как μ_n > μ_p. Перспективны широкозонные материалы с высокой подвижностью носителей заряда, так как широкая запрещенная зона обеспечивает меньшее значение концентрации собственных носителей и дает возможность использовать материалы с меньшей концентрацией примеси, уменьшается температурная зависимость эдс Холла и возрастает верхний предел рабочих температур. К пластинам или пленкам изготавливаются четыре омических контакта.

Промышленностью выпускаются преобразователи Холла из Ge (ДХГ), Si (ДХК), GaAs (ХАГ).

Для измерения магнитных полей при низких температурах используются узкозонные полупроводники, например, InSb имеет максимальное значение μ_n = 7,8 м²/В∙с, ширину запрещенной зоны 0,1 эВ. Тонкие пленки InSb эпитаксиально наращивают на полуизолирующих подложках из GaAs. Толщина пленки составляет 2 – 9 мкм. Такие датчики используются для измерения магнитных полей до 14 Тл при температурах 4,2 – 350 К.

С развитием технологии эпитаксиального выращивания тонких совершенных пленок полупроводников появились условия для изготовления высокочувствительных и стабильных датчиков Холла. В настоящее время для датчиков Холла широко используются эпитаксиальные пленки GaAs. Сочетание таких факторов, как большая ширина запрещенной зоны (Е_g = 1,43 эВ), высокое значение коэффициента Холла и подвижности носителей заряда μ_n = 0,95 м²/(В·с), возможность автоэпитаксиального выращивания пленок на полуизолирующих подложках обусловили использование этого материала.

5.2.2. Основные параметры и свойства

Входное сопротивление R_вх – сопротивление между токовыми электродами. В отсутствии магнитного поля

R_вх = = , (5.12)

где ρ – удельное сопротивление; l – расстояние между токовыми контактами.

В магнитном поле сопротивление растет.

Выходное сопротивление – сопротивление между холловскими контактами (рис. 5.1).

Коэффициент полезного действия η определяется отношением отдаваемой и подводимой мощностей:

. η = , (5.13)

где – мощность на сопротивлении нагрузки; мощность, подводимая к датчику Холла,

η~μ²В². (5.14)

Максимально допустимый рабочий ток I_max определяется максимальной рабочей температурой Т_max датчика. Выделяемая мощность должна быть равна отводимой:

R_вх = β ∙S∙∆T, (5.15)

где ∆T – разность температур между Т_max и температурой окружающей среды; β – коэффициент теплоотдачи; S – площадь поверхности датчика; если пренебречь площадью поверхности боковых граней и считать S = 2a ∙l, то

I_max = а . (5.16)

Максимальная эдс Холла U_max возникает при токе I_max и В = const:

U_max = R_{X ∙}B∙a . (5.17)

Вольтовая чувствительность γ – отношение U_max/В:

. γ = U_max/В = R_X ∙a ∙ . (5.18)

Вольтовая чувствительность более удобна и объективна, чем U_max.

Магниточувствительность Z – основная характеристика датчиков Холла:

Z = = . (5.19)

С уменьшением толщины δ магниточувствительность растет (до δ≈1 мкм, затем рост прекращается вследствие па- дения подвижности носителей из-за рассеяния на дефектах поверхности). Магниточувствительность холловских датчиков из Ge составляет 35 из Si – 90из GaAs – 10² – 10³ В/(А·Тл).

Коэффициент передачи К – это отношение напряженности холловского поля к напряженности электрического поля между входными контактами при В = const:

К = Е_Х/Е = А∙μ∙В. (5.20)

Частотные свойства. Время релаксации процессов, определяющих эффект Холла, порядка10^-12 – 10^-13 с, отсюда следует теоретический частотный предел, на практике такие высокие частоты не используются вследствие следующих трудностей. На частотах более 10 МГц переменного тока при В = const может сказываться нелинейность контактов. В переменном магнитном поле при I = const индуцируются вихревые токи в полупроводнике и возрастает его нагрев. Поэтому в высокочастотном магнитном поле следует уменьшать рабочий ток.

В табл. 5.1 приведены параметры промышленных датчиков Холла. Датчики Холла из GaAs (ХАГ-П) обладают широким рабочим интервалом температур (от -60 ºС до +300 ºС) и высокой чувствительностью к магнитному полю (выходной сигнал U_X не менее 1 В при магнитной индукции B = 0,5 Тл)

Таблица 5.1

Параметры датчиков Холла

Тип	Мате- риал	Кон- цент- рация носи- телей n,см-3	Разме- ры, мм2	Тол- щина δ, мкм	Чувст витель- ность γ, В/Тл	Рабо- чие темпе-ратуры, ºС
ДХК ХАГ-П3 ХАГЭ-1 ХИМ ХИС ПХИ312	Si GaAs GaAs InAs InSb InSb	2∙1015 4∙1016 2∙1015 5∙1016 3∙1017 6∙1017	6 × 3 4 × 2 3 × 10 4 × 2 4 × 3 3 × 3	100 20 10 350 370 1000	0,5 5 10 40 45 2	–60 – 130 –60 – 130 –60 – 150 –60 – 100 –270 – 70 –50 – 150