1. מהו אפקט הול?

אפקט הול נגרם על ידי האינטראקציה בין השדות החשמליים והמגנטיים המתאימים של חלקיקים טעונים (כגון אלקטרונים). להבנה חיה ואינטואיטיבית יותר, ניתן לעיין בתרשים האנימציה של עקרון אפקט הול למטה.

2. עקרון אפקט הול

כאשר לוח מוליך מחובר למעגל עם סוללה, זרם מתחיל לזרום. נושאי המטען ינועו לאורך מסלול ליניארי מקצה אחד של הלוח לקצה השני. תנועת נושאי המטען יוצרת שדה מגנטי. כאשר מגנט ממוקם קרוב ללוח, השדה המגנטי של נושאי המטען מתעוות, מה שמשבש את הזרימה בקו הישר של נושאי המטען. הכוח שמשבש את כיוון הזרימה של נושאי המטען נקרא כוח לורנץ.

עקב עיוות השדה המגנטי של נושאי המטען, אלקטרונים טעונים שליליים יסטו לצד אחד של הלוח, בעוד חורים טעונים חיוביים יסטו לצד השני. הפרש פוטנציאלים, המכונה מתח הול, ייווצר בין שני צידי הלוח, אותו ניתן למדוד באמצעות מכשיר.

אפקט הול וכוח לורנץ: החץ הכחול B מייצג את השדה המגנטי העובר אנכית דרך הלוח המוליך

עקרון אפקט הול קובע שכאשר מוליך נושא זרם או מוליך למחצה מוכנס לשדה מגנטי ניצב, ניתן למדוד מתח במיקום ניצב למסלול הזרם.

מתח הול, המסומן כ-VH, ניתן על ידי הנוסחה:

VH הוא מתח הול על הלוח המוליך

· I הוא הזרם הזורם דרך החיישן

· B הוא עוצמת השדה המגנטי

q הוא המטען

· n הוא מספר נושאי המטען ליחידת נפח

· d הוא עובי החיישן

3. עקרון חיישני אפקט הול

כאשר צפיפות השטף המגנטי סביב החיישן עולה על סף מוגדר מראש, החיישן מזהה זאת ומייצר מתח יציאה הנקרא מתח הול (VH). העיקרון הספציפי מוצג באיור למטה.

חיישן אפקט הול מורכב בעיקרו מחתיכה מלבנית דקה של חומר מוליך למחצה מסוג p, כגון גליום ארסניד (GaAs), אינדיום אנטימוניד (InSb) או אינדיום ארסניד (InAs), שדרכה עובר זרם רציף.

תרשים סכמטי של חיישן אפקט הול

כאשר חיישן אפקט הול ממוקם בשדה מגנטי, קווי השטף המגנטי מפעילים כוח על חומר המוליך למחצה, וגורמים לנושאי המטען (אלקטרונים וחורים) להסיט את עצמם לשני צידי לוח המוליך למחצה. תנועה זו של נושאי המטען היא תוצאה של הכוח המגנטי שהם חווים כשהם עוברים דרך חומר המוליך למחצה.

כאשר אלקטרונים וחורים אלה נעים הצידה, נוצר הפרש פוטנציאלים בין שני צידי חומר המוליך למחצה עקב הצטברות נושאי מטען אלה. תנועת האלקטרונים דרך חומר המוליך למחצה מושפעת לאחר מכן משדה מגנטי חיצוני המאונך לו, והשפעה זו בולטת יותר בחומרים מלבניים שטוחים.

אפקט הול מספק מידע על סוג הקוטב המגנטי ועל גודל השדה המגנטי. לדוגמה, קוטב דרומי יגרום למכשיר לייצר מתח פלט, בעוד שקוטב צפוני לא ישפיע. בדרך כלל, חיישני ומתגים של אפקט הול מתוכננים להיות במצב "כבוי" (מצב מעגל פתוח) כאשר אין שדה מגנטי. הם "נדלקים" (מצב מעגל סגור) רק כאשר הם נחשפים לשדה מגנטי בעל עוצמה וקוטביות מספקים.

4. חיישני אפקט הול

בצורתו הפשוטה ביותר, החיישן פועל כחיישן אנלוגי, המחזיר מתח ישירות. בעזרת שדה מגנטי ידוע, ניתן לקבוע את המרחק מלוח הול. באמצעות קבוצת חיישנים, ניתן להסיק את המיקום היחסי של המגנט.

בדרך כלל, חיישני אפקט הול משולבים עם מעגלים המאפשרים למכשיר לפעול במצב דיגיטלי (הפעלה/כיבוי), ובתצורה זו, הם עשויים להיקרא מתגים. האיור שלהלן מציג גלגל עם שני מגנטים העוברים ליד חיישן אפקט הול.