1.4.5. Холлотроны (датчики Холла)

Холлотроном (датчиком Холла) называется полупроводниковый прибор, преобразующий индукцию внешнего магнитного поля в электрическое напряжение на основе эффекта Холла (Эдвин Холл, амер. физ. – 7.11.1855 – 20.11.1938 г.).

Эффект Холла заключается в том, что при протекании тока I_x вдоль плоской прямоугольной пластины из полупроводника (Ge, Se, GaAs, InSb и др.), помещенной в перпендикулярное току магнитное поле В, происходит искривление траекторий носителей заряда и их накопление на боковой грани пластины, вследствие чего возникает ЭДС Холла

(50)

где К – конструктивный коэффициент, зависящий от геометрии пластины; R – постоянная Холла (для полупроводников ); В – индукция магнитного поля (Тл); h – толщина пластины; α – угол между плоскостью пластины и направлением .

Таким образом, в датчиках Холла, как и в магниторезисторах , используется один из видов гальваномагнитного явления.

Простейший датчик Холла (рис. 61) конструктивно представляет собой тонкую пластину (или пленку) из полупроводника, укрепленную (напыленную) на прочной подложке из слюды, керамики или ферритов, с четырьмя электродами (1–4) для подведения электрического тока и съема ЭДС Холла.

Рис. 61. Структура и графическое изображение холлотрона

Эти приборы используются в качестве первичных измерительных преобразователей в магнитометрах, бесконтактных преобразователях постоянного тока в переменный и т. д. Один из типовых датчиков Холла ДХ-611 имеет размеры мм. Чувствительность холлотронов составляет от 0,5 до 100В/А. Т, выходной сигнал измеряется в несколько мВ, рабочие частоты – несколько МГц [12]). Магниторезистивный эффект используется также в более сложных полупроводниковых приборах с р-n переходом, в частности, в магнитодиодах, чувствительность которых в 1000 раз больше, чем у датчиков Холла [8].

1.5. Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором (БПТ) называется полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и тремя выводами (эмиттер, база, коллектор), предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Существуют БПТ с переходами n-p-n и p-n-p, в которых два вида носителей зарядов (основные и неосновные).

Основными являются электроны в n-p-n структуре или дырки – в структуре p-n-p. Эти два вида носителей заряда и определяют название «биполярный». По сути, если пренебречь толщиной базы, то БПТ подобен встречному соединению двух диодов (рис. 62): одного – смещенного в проводящем направлении (эмиттер – база), а другого – в обратном (запорном) – коллектор-база, при этом полярность внешнего напряжения на эмиттере в любой структуре БПТ при открытом транзисторе всегда должна совпадать со знаком заряда основных носителей, а на двух остальных электродах (базе и коллекторе) – должна быть противоположной (см. рис. 62).

Рис. 62. Графический символ, структура и диодный эквивалент

биполярного транзистора

Принцип усиления в БПТ, например, типа n-p-n, заключается в следующем. Положительная полуволна входного усиливаемого сигнала добавляет положительный потенциал (плюс) на базе транзистора (рис.63), вследствие чего электропроводность перехода база-эмиттер, а, следовательно, и ток базы увеличиваются, что обуславливает интенсивную инжекцию (введение) электронов из основной области (эмиттера) в неосновную (базу). Так возникает эмиттерный ток . Однако электроны этого тока не успевают рекомбинировать с дырками базы из-за ее малой толщены и оптимально малой концентрации в ней дырок. Поэтому возникает ситуация, при которой эти электроны начинают усиленно экстрактироваться (втягиваться) в соседнюю (коллекторную) область основных носителей (электронов) благодаря сильному электрическому полю положительно заряженного коллектора. Возникает коллекторный ток

(51)

Усиление обусловлено тем, что величина во много раз больше величины в силу величины питающего коллектор напряжения . При этом выходное напряжение , отбираемое от источника питания , изменяется по закону изменения входного сигнала и определяется вторым законом Кирхгофа для коллекторной цепи в соответствии с уравнением (52), названным в усилительной технике выходной динамической характеристикой или нагрузочной прямой.

(52)

Из этого выражения видно, что выходной сигнал инвертирован, т. е. противоположен по фазе

Рис. 63. Упрощенная схема, характеризующая

принцип усиления в БПТ

Из этого выражения видно, что выходной сигнал инвертирован, т.е. противоположен по фазе относительно входного сигнала, так как увеличение соответственно увеличивает падение напряжения на нагрузке , что приводит к понижению , и, наоборот, при уменьшении увеличивается .

Коэффициент усиления по напряжению и току имеют вид:

(53)

В усилителе на БПТ с дырочной электропроводностью, т.е. типа p-n-p, работа происходит аналогично, однако, все полярности на электродах транзистора противоположны.

Простейшая схема рис.63 называется схемой с общим эмиттером. Более подробно об усилительном каскаде на БПТ и типовых схемах включения транзисторов будет рассмотрено во втором разделе пособия.