Hallgeneratoren: Eigenschaften und Anwendungen

ISBN-13: 9783642869327 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 314 str.

Friedrich Kuhrt;Hans J. Lippmann

Opis

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.

Spis treści

Einleitender Überblick.- I. Physikalische Grundlagen.- 1 Grundbegriffe.- 1.1 Die elektromagnetischen Feldgrößen und ihre Verknüpfung.- 1.2 Erzeugung und Lenkung magnetischer Felder.- 1.3 Magnetische Werkstoffe und ihre Kenngrößen.- 1.3.1 Weichmagnetische Werkstoffe.- 1.3.2 Hartmagnetische Werkstoffe.- 1.4 Elektronen im Festkörper.- 2 Galvanomagnetische Effekte.- 2.1 Der Hall-Effekt.- 2.2 Grundgleichung der elektrischen Leitung bei gleichzeitigem Vorhandensein eines elektrischen und magnetischen Feldes.- 2.3 Einfluß des Magnetfeldes auf Leitfähigkeit und Hallkonstante.- 2.4 Geometrieeinfluß auf Hall-Effekt und transversalen magnetischen Widerstandseffekt.- 3 Halbleitermaterialien zur technischen Ausnutzung des Hall-Effektes.- 3.1 Maximal erreichbare Hallspannung im Leerlauf.- 3.2 Wirkungsgrad bei Anpassung auf maximale Leistungsabgabe.- 3.3 Eigenschaften der III-V-Halbleiter mit hoher Elektronenbeweglichkeit.- 3.4 Die drei Standardmaterialien für die Herstellung von Hallgeneratoren.- 3.5 Herstellung der Halbleiter InSb, InAs und InAsP.- 3.5.1 Reindarstellung der Elemente.- 3.5.2 Darstellung der Verbindungshalbleiter.- II. Aufbau und Eigenschaften der Hallgeneratoren.- 4 Aufbau eines Hallgenerators.- 4.1 Elektrisches System und Mantel.- 4.2 Hallgeneratoren mit unmagnetischem Mantel.- 4.3 Hallgeneratoren mit magnetischem Mantel.- 5 Herstellungsverfahren.- 5.1 Herstellungsgang für Hallgeneratoren mit geschliffener Halbleiterschicht.- 5.2 Herstellung dünner elektrischer Systeme durch chemisches Ätzen.- 5.3 Aufdampfen der Halbleiterschicht im Hochvakuum.- 6 Eigenschaften.- 6.1 Kenngrößen.- 6.1.1 Steuer- und hallseitiger Innenwiderstand im Leerlauf.- 6.1.2 Steuerstrom.- 6.1.3 Magnetische Steuergrößen.- 6.1.4 Empfindlichkeiten im Leerlauf.- 6.1.5 Empfindlichkeit und Eingangswiderstand bei Belastung.- 6.1.6 Abschlußwiderstand für lineare Anpassung und Linearisierungsfehler.- 6.1.7 Leistungsentnahme und Wirkungsgrad.- 6.1.8 Ohmsche Nullspannung.- 6.1.9 Induktive Nullspannung.- 6.1.10 Remanenz-Resthallspannung.- 6.1.11 Nullspannungen durch das Magnetfeld des Steuerstroms.- 6.2 Störeinflüsse.- 6.2.1 Veränderliche Umgebungstemperatur.- 6.2.2 Störspannungen durch Temperaturgradienten.- 6.2.3 Kernstrahlung.- 6.3 Frequenzverhalten.- 6.3.1 Skineffekt bei hochfrequentem Steuerstrom.- 6.3.2 Skineffekt bei hochfrequentem Magnetfeld.- III. Anwendungen der Hallgeneratoren.- A. Hallgeneratoren im offenen magnetischen Kreis.- 7 Magnetfeldmessung.- 7.1 Feldsonden und ihre Anpassung an die Meßaufgabe.- 7.2 Meßmethoden.- 7.2.1 Messen mit linearisiertem Hallgenerator und direkt anzeigendem Instrument.- 7.2.2 Messen über Eichkurve und Eichdaten.- 7.2.3 Hochgenaue Feldmessung ohne Temperaturstabilisierung.- 7.3 Fehler bei der Messung inhomogener Magnetfelder.- 7.4 Messung höchster Magnetfelder.- 7.5 Messung schwacher Magnetfelder.- 7.6 Magnetfeldregelung.- 8 Berührungs- und kontaktlose Signalgabe zur Steuerung und Regelung von Bewegungsvorgängen.- 8.1 Signalgabe über größere Reichweiten.- 8.2 Signalgabe über kurze Reichweiten.- 8.3 Digitale Drehwinkelerfassung.- 8.4 Drehwinkelabhängige Funktionsgeber.- 8.5 Kollektorlose Gleichstrommotoren.- 8.6 Schwingungsmessung.- 9 Abfrage magnetisch gespeicherter Informationen.- 9.1 Magnetische Kennzeichnung durch Dauermagnete.- 9.2 Fernabfragbares Rollenzählwerk.- 9.3 Wiedergabe von Magnetbandaufzeichnungen.- 9.4 Abfrage transversal beschrifteter Magnetfolien.- 9.5 Langsam umlaufende Magnetspeicher.- 9.6 Repetiersteuerung von Werkzeugmaschinen.- B. Hallgeneratoren im geschlossenen, elektrisch erregten Magnetkreis.- 10 Gleichstrommessung.- 10.1 Gleichstromisolierwandler.- 10.2 Messung hoher Gleichströme.- 11 Multiplikation zweier elektrischer Größen.- 11.1 Hallmultiplikatoren.- 11.2 Elektrische Leistungsmessung.- 11.3 Ausführung analoger Rechenoperationen.- 11.4 Drehmomentmessung.- 11.5 Frequenzanalyse periodischer Vorgänge.- 12 Modulation kleiner Gleichspannungen und Gleichströme.- 12.1 Hallmodulator.- 12.2 Halbleiterrechenverstärker mit hoher Nullpunktsstabilität.- 13 Hallgeneratoren im elektrisch erregten Magnetkreis mit kleinem effektiven Luftspalt.- 13.1 Gleichstromwandler mit Amperewindungsvergleich.- 13.2 Bistabile Halbleiterkippstufe mit Remanenzgedächtnis.- 13.3 Leistungsverstärkung.- C. Anwendungen des Hall-Effektes im konstanten Magnetfeld.- 14 Übertragungselemente mit Gyratoreigenschaften.

O autorze

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Hans Joachim Lippmann, Jahrgang 1930, studierte Physik und Geophysik an der Georgia-Augusta-Universität in Göttingen. Seine Berufstätigkeit begann er in einem Entwicklungslabor der Siemens AG in Nürnberg. Dort beschäftigte er sich mit den Anwendungen des Hall-Effekts an III-V-Halbleitern. Von 1967 bis 1972 leitete er ein Laboratorium für neue, physikalische Fertigungsverfahren. Als um diese Zeit die Siemens AG die Entwicklung der Vakuumschaltröhren begann, wurde ihm die Leitung des Röhrenwerks Berlin übertragen; 1978 die der Röhren-Werke in München und Berlin. Von 1982 bis zu seiner Pensionierung war er technischer Geschäftsführer der Heimann GmbH Wiesbaden. Nach seiner Pensionierung war als freier Unternehmensberater tätig. 1978 wurde er zum Ehrensenator der TU Wien ernannt.