Hallgeneratoren: Eigenschaften und Anwendungen

322 Pages·1968·13.4 MB·German

by  Dr. rer. nat. Friedrich Kuhrt

Hallgeneratoren
F. Kuhrt H. J. Lippmann
Hallgeneratoren
Eigenschaften und Anwendungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1968
Dr. rer. nat. FRIEDRICH KUHRT
Leiter des Nurnberger Zahlerwerks der Siemens AG
Dr. rer. nat. HANS JOACHIM LIPPMANN
Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Laborleiter
der Siemens AG in Nurnberg
Mit 219 Abbildungen
ISBN-13: 978-3-642-86932-7 e-ISBN-13: 978-3-642-86931-0
DOl: lO.lO07/ 978-3-642-86931-0
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® by Springer·Verlag, Berlin/Heidelberg 1968
Softcover reprint ofthe hardcover 1s t edition 1968
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Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB Bolche
Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
waren und daher von jedermann benutzt werden dUrften
Titel Nr. 1500
Herrn Dr.-Ing. Alfred Siemens
dem langjahrigen Forderer der Hallgenerator-Entwicklung
in Verehrung und Dankbarkeit gewidmet
Vorwort
Unter den von H. WELKER und Mitarbeitem erforschten III-V
Halbleitem zeichnen sich die Verbindungshalbleiter Indiumantimonid
und Indiumarsenid durch ihre hohe Elektronenbeweglichkeit aus. Die
sich in diesen Halbleitem mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Elek
tronen werden von einem transversalen Magnetfeld besonders stark
beeinfluBt. Indiumantimonid und Indiumarsenid sind daher geeignete
Werkstoffe fiir die Herstellung magnetisch steuerbarer Halbleiter
bauelemente, deren wichtigster Vertreter der Hallgenerator ist.
Die Entwicklungsgeschichte des Hallgenerators reicht zuriick in den
Anfang der fiinfziger Jahre. W. HARTEL hatte als erster die Idee, ein
Hallgeneratorbauelement zu schaffen; unter seiner Anleitung wurden
die ersten Schritte in dieser Richtung getan. 1m Jahre 1954 standen
erstmals fiir die Magnetfeldmessung geeignete Hallgeneratoren aus
Indiumarsenid zur Verfiigung. Auch in den darauffolgenden Jahren
wurden vor allem Hallgeneratoren aus Indiumarsenid fiir meBtechnische
Aufgaben entwickelt. Die AnwendungserschlieBung und die Entwick
lung der Bauelemente gingen dabei Hand in Hand. Der letzte Schritt
auf diesem Wege war die Entwicklung des fluBempfindlichen Ferrit
Hallgenerators mit einer Indiumantimonidschicht von nur wenigen fLm
Dicke. Die fluBempfindlichen Ferrit-Hallgeneratoren er6ffneten der
Hallgeneratortechnik ein neues, weites Anwendungsfeld, die beriihrungs
und kontaktlose Steuerung von Bewegungsvorgangen. Um die Voraus
setzung fiir eine breite Anwendung dieses Bauelements zu schaffen,
standen in den letzten Jahren im Vordergrund des Interesses neue
Fertigungsverfahren, die fiir die Massenherstellung fluBempfindlicher
Ferrit-Hallgeneratoren geeignet sind.
Diese kleine Hallgeneratorchronik sollte nicht abgeschlossen werden,
ohne ein Wort des Dankes an unsere Mitarbeiter und Freunde zu rich
ten, die durch ihre Ideen und unermiidliche Arbeit zu dem erreichten
Erfolg beitrugen. Es sind dies vor allem die Herren Dipl.-Ing. KARL MAAZ,
Dipl.-Ing. GUSTAV STARK und Dr.-Ing. JULIUS BRUNNER; auch bei der
Abfassung dieses Buches unterstiitzten sie uns mit Rat und Tat.
VIII Vorwort
Fiir wertvolle Diskussionen und Hinweise danken wir den Herren
Dr. phil. nat. HELMUT DIETZ, Dr. rer. nat. KARL-GEORG GUNTHER und
Dr.-Ing. JOCHEN HAEUSLER.
Beim Schreiben des Manuskripts hat uns Frau MARTHA KEFER sehr
geho]fen, Herr ALFRED GIERING beim Entwurf und bei der Gestaltung
der Abbildungen, Frau GERTRUD BONDEL bei den Korrekturarbeiten.
Dem Verlag danken wir fiir das schnelle Erscheinen des Buches
sowie das stete Entgegenkommen bei der Erfiillung unserer Wiinsche.
Unseren Frauen sagen wir Dank fiir ihren verstiindnisvollen Verzicht
auf viele gemeinsame Stunden, die wir fiir die Arbeit an diesem Buch
aufwenden muBten.
Niirnberg, im Juni 1968
F. Kuhrt H.;r. Lippmann
Inhaltsverzeichnis
Einleitender Vberblick . . . . . . . . . . . . . . 1
Teil I. Physikalische Grundlagen
1 Grundbegriffe . . 13
1.1 Die elektromagnetischen FeldgroJ3en und ihre Verknupfung 13
1.2 Erzeugung und Lenkung magnetischer Felder 23
1.3 Magnetische Werkstoffe und ihre KenngroJ3en 31
1.3.1 Weichmagnetische Werkstoffe 34
1.3.2 Hartmagnetische Werkstoffe 38
1.4 Elektronen im Festkorper 45
2 Galvanomagnetische Effekte 58
2.1 Der Hall-Effekt. . . . . 58
2.2 Grundgleichung der elektrischen Leitung bei gleichzeitigem Vorhanden-
sein eines elektrischen und magnetischen Feldes . . . . . . . . . . 66
2.3 EinfluJ3 des Magnetfeldes auf Leitfithigkeit und Hallkonstante. . . . 69
2.4 GeometrieeinfluJ3 auf Hall-Effekt und transversalen magnetischen Wider-
standseffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3 Halbleitermaterialien zur technischen Ausnutzung des Hall-Effektes 82
3.1 Maximal erreichbare Hallspannung im Leerlauf . . . . . . . . 82
3.2 Wirkungsgrad bei Anpassung auf maximale Leistungsabgabe . . 85
3.3 Eigenschaften der III-V-Halbleiter ,mit hoher Elektronenbeweglichkeit 86
3.4 Die drei Standardmaterialien fiir die Herstellung von Hallgeneratoren 94
3.5 Herstellung der Halbleiter InSb, InAs und InAsP 96
3.5.1 Reindarstellung der Elemente . . . . 96
3.5.2 Darstellung der Verbindungshalbleiter . . . . 97
Teil II. Aufbau und Eigenschaften der Hallgeneratoren
4 Aufbau eines Hallgenerators . . . . . . . . . 101
4.1 Elektrisches System und Mantel ..... . 101
4.2 Hallgeneratoren mit unmagnetischem Mantel 106
4.3 Hallgeneratoren mit magnetischem Mantel. 109
5 Herstellungsverfahren 113
5.1 Herstellungsgang fiir Hallgeneratoren mit geschliffener Halbleiterschicht 114
5.2 Herstellung diinner elektrischer Systeme durch chemisches A.tzen 116
5.3 Aufdampfen der Halbleiterschicht im Hochvakuum ........ 119
x
Inhaltsverzeichnis
6 Eigenschaften 123
6.1 KenngroBen 124
6.1.1 Steuer. und hallseitiger Innenwiderstand im Leerlauf 124
6.1.2 Steuerstrom . . . . . . . . . 125
6.1.3 Magnetische SteuergroBen ............ . 129
6.1.4 Empfindlichkeiten im Leerlauf ......... . 129
6.1.5 Empfindlichkeit und Eingangswiderstand bei Belastung . 131
6.1.6 AbschluBwiderstand fiir lineare Anpassung und Linearisierungsfehler 135
6.1. 7 Leistungsentnahme und Wirkungsgrad 138
6.1.8 Ohmsche Nullspannung ... 140
6.1.9 Induktive Nullspannung . . . . . . 144
6.1.10 Remanenz.Resthallspannung .... 146
6.1.11 Nullspannungen durch das Magnetfeld des Steuerstroms 147
6.2 SWreinfliisse . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2.1 Veranderliche Umgebungstemperatur .... 150
6.2.2 Storspannungen durch Temperaturgradienten 155
6.2.3 Kernstrahlung . . . . . . . . . . . . . . 157
6.3 Frequenzverhalten. . . . . . . . . . . . . . 159
6.3.1 Skineffekt bei hochfrequentem Steuerstrom . 162
6.3.2 Skineffekt bei hochfrequentem Magnetfeld . 168
Ten III. Anwendungen der Hallgeneratoren
A. Ha.llgeneratoren im offenen magnetischen Kreis 174
7 Magnetfeldmessung 174
7.1 Feldsonden und ihre Anpassung an die MeBaufgabe 175
7.2 MeBmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2.1 Messen mit linearisiertem Hallgenerator und direkt anzeigendem In.
strument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2.2 Messen iiber Eichkurve und Eichdaten. . . . . . . . . 183
7.2.3 Hochgenaue Feldmessung ohne Temperaturstabilisierunlf . 185
7.3 Fehler bei der Messung inhomogener Magnetfelder 186
7.4 Messung hOchster Magnetfelder . 187
7.5 Messung schwacher Magnetfelder . . . . . . . . 190
7.6 Magnetfeldregelung . . . . . . . . . . . . . . 192
8 Beriihrungs. und kontaktlose Signalgabe zur Steuerung und Regelung von
Bewegungsvorgangen. . . . . . . . . 195
8.1 Signalgabe iiber groBere Reichweiten 195
8.2 Signalgabe iiber kurze Reichweiten . 208
8.3 Digitale Drehwinkelerfassung . . . . 213
8.4 Drehwinkelabhangige Funktionsgeber 224
8.5 Kollektorlose Gleichstrommotoren . 228
8.6 Schwingungsmessung ....... 233
9 Abfrage magnetisch gespeicherter Informationen 236
9.1 Magnetische Kennzeichnung durch Dauermagnete 237
9.2 Fernabfragbares Rollenzahlwerk . . . . . . . . 241
Inhaltsverzeichnis XI
9.3 Wiedergabe von Magnetbandaufzeichnungen 244
9.4 Abfrage transversal beschrifteter Magnetfolien 248
9.5 Langsam umlaufende Magnetspeicher . . . 251
9.6 Repetiersteuerung von Werkzeugmaschinen 258
B. Hallgeneratoren im geschlossenen, elektrisch erregten Magnetkreis • 260
10 Gleichstrommessung. . . . . . 261
10.1 Gleichstromisolierwandler 261
10.2 Messung hoher Gleichstrome 264
11 Multiplikation zweier elektrischer GroBen 267
11.1 Hallmultiplikatoren . . . . . . . . 267
11.2 Elektrische Leistungsmessung 270
11.3 Ausfiihrung analoger Rechenoperationen . 275
11.4 Drehmomentmessung . . . . . . . . 279
11.5 Frequenzanalyse periodischer Vorgange . 282
12 Modulation kleiner Gleichspannungen und Gleichstrome 284
12.1 Hallmodulator . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.2 Halbleiterrechenverstarker mit hoher Nullpunktsstabilitat 288
13 Hallgeneratoren im elektrisch erregten Magnetkreis mit kleinem effektiven
Luftspalt ...................... 291
13.1 Glflichstromwandler mit Amperewindungsvergleich . . 292
13.2 Bistabile Halbleiterkippstufe mit Remanenzgedachtnis 293
13.3 Leistungsverstarkung ............... 295
C. Anwendungen des Hall·Effektes im konstanten Magnetfeld 299
14 tThertragungselemente mit Gyratoreigenschaften 299
Literaturverzeichnis 304
Sachverzeichnis . . 310
Einleitender tlberblick
Hallgeneratoren sind magnetisch steuerbare Halbleiterbauelemente.
Ihre Wirkungsweise beruht auf dem von dem amerikanischen Physiker
E. H. HALL [1] im Jahre 1879 an dtinnen Goldschichten entdeckten
und nach ihm benannten Hall-Effekt. Beim Hall-Effekt handelt es
sich um folgende physikalische
B
Erscheinung: Wird ein langge
streckter, elektrischer Leiter der
-it
Breite b und Dicke d von einem
elektrischen Strom i1 in Langs
richtung durchflossen und senk
recht zu den Flachen der Breite b
von einem Magnetfeld B durch
Abb. 1. HaJI-Effekt am langgestreckten
setzt, so wird zwischen zwei an elektrischen Leiter.
den Langskanten des Leiterstrei
fens senkrecht zur Stromrichtung angebrachten Spitzenkontakten eine
elektrische Spannung, die Hallspannung U2, gemessen (Abb. 1).
Das Zustandekommen der Hallspannung la13t sich leicht erklaren.
Bei Elektronenleitung entspricht dem elektrischen Strom i1 im Leiter
streifen eine Bewegung der Leitungselektronen entgegengesetzt zur
eingezeichneten Stromrichtung in Abb.1, also von rechts nach links.
Auf die sich bewegenden Elektronen tibt das einwirkende Magnetfeld B
eine Kraft aus, die eine Ablenkung der Elektronen senkrecht zu ihrer
Bewegungsrichtung auf die Vorderkante des Leiterstreifens hin ver
ursacht. Durch diese Verwehung der Elektronen ladt sich die Vorder
kante negativ, die hintere Langskante positiv auf. Das durch (die
Ladungstrennung aufgebaute elektrische Feld tibt auf die sich be
wegenden Elektronen eine Kraft aus, die der ablenkenden Wirkung
des Magnetfeldes entgegensteht. Die fortschreitende Aufladung der
Langskanten dauert daher so lange an, bis die elektrische Gegenkraft
gleich der magnetischen Ablenkkraft geworden ist. 1m Gleichgewichts
zustand durchlaufen die den Strom i1 bildenden Elektronen den Leiter
streifen wieder auf geradlinigen Bahnen. Die Einstellzeit ftir diesen
Gleichgewichtszustand betragt weniger als lO-12 sec. Die im Gleich
gewichtszustand senkrecht zu den Strombahnen herrschende elektrische
Feldstarke ist die Hallfeldstarke. Sie verursacht die Hallspannung U2
zwischen den Spitzenkontakten in Abb. 1. Die am Leiterstreifen auf-
Kuhrt/Lippmann, Hallgeneratoren 1