Hall Olayı ya da Etkisi Nedir?

Hall Etkisinin kuantum mekaniği altında meydana gelmesine Kuantum Hall Etkisi adı verilir. Kuantum Hall Etkisi ile Hall Etkisini birbirinden ayıran temel fark; Hall Etkisinin yarı iletkenlerde, Kuantum Hall Etkisinin ise metallerde gözlenmesidir. Kuantum Hall Etkisi, Hall Etkisinin doğrudan bir türevi olarak kabul edilir.

Hall Etkisi, Amerikan fizikçi Edwin Hall tarafından 1879 yılında bulunmuştur. 7 Kasım 1855 tarihinde Amerika Birleşik Devletleri’nin Maine Eyaletinin Gorham kentinde dünyaya gelen Edwin Hall doktora derecesini Johns Hopkins Üniversitesi’nden aldı. 1895 yılından itibaren Harvard Üniversitesi’nde profesör olarak çalışmaya başlayan Hall, 20 Kasım 1938 tarihinde 83 yaşında iken Massachusetts eyaletinde yaşamını yitirdi.

Hall Etkisi, herhangi bir iletken veya yarı iletkenin içerisinden dik olarak geçmekte olan enerjinin bulunmasını sağlar. Dik olarak geçmekte olan enerji ile tüm iletken üzerinde gerilim meydana gelmesi ve bunun hesaplanabilmesi ile manyetik alanın ölçülebilmesi gibi yönleriyle Hall Etkisi; özellikle elektrik, elektronik ve otomotiv alanında pek çok buluşun yapılmasının önünü açmıştır.

Hall etkisi, özellikle manyetik alanın ölçülmesinde sıklıkla kullanılır. Bu bağlamda Hall ölçüm sistemleri ve Hall sensörleri son derece yaygındır. Bunun yanı sıra yakınlık sensörlerinde, elektrik anahtarlarında, MEMS pusulalarında, otomotiv, elektrik ve elektronik alanlarında Hall etkisi etkin bir şekilde kullanılır.

Hall etkisi, Hall etkisi ölçüm sistemleri kullanılarak ölçülebilir. Hall etkisi ölçüm sistemleri, içerisinde Hall etkisinin ölçülebilmesi için gerekli formüller barındırır ve çeşitli faktörleri göz önünde bulundurarak ölçüm işlemini tamamlar.

Hall etkisi ölçüm sistemi, Hall etkisi sensörlerini kullanarak herhangi bir iletken veya yarı iletken üzerindeki Hall etkisini otomatik olarak ölçmeye yarayan bir sistemdir. Standart bir Hall etkisi ölçüm sisteminin genel teknik özellikleri şunlardır:

• Van Der Pauw tekniğini kullanır.
• Hall katsayısı belirleyebilir.
• 10mΩ ile 200MΩ aralığında ölçüm olanağı sunar.
• Mobility aralığı 1 ile 1 x 105 cm2/Vs arasındadır.
• Akım aralığı: ±10 nA ile ±1A arasındadır
• Voltaj aralığı: 0V ile 200V arasındadır
• Taşıyıcı konsantrasyon yoğunluğu: 1 x 106 ile 1 x 1019 cm-3 arasındadır.
• 10K ile 800K aralığında ölçüm olanağı sunar.

Manyetik alandaki herhangi bir iletken veya yarı iletkenin üzerinden akım geçtiğinde, iletken boyunca ortaya çıkan gerilime Hall gerilimi adı verilir. Hall gerilimi, akımın I veya pozitif veya negatif yük taşıyıcılarınca ortaya çıkartıldığına bağlı olarak değişiklik gösteir. Bu durum, yük taşıyıcıların yoğunluğu ile alakalıdır.

Manyetik alan içerisinde bulunan herhangi bir iletken veya yarı iletkenin, üzerinden geçen akıma ve manyetik alana dik olacak şekilde gerilim farkı üretmesine Hall voltajı adı verilir.

Hall katsayısı, indükleme halindeki elektrik alanına ait akım yoğunluğu ile manyetik alanın çarpılmasıyla elde edilen bir katsayıdır. Hall katsayısı, söz konusu iletkenin imal edildiği malzemenin özelliğidir. Değeri ise geçen akıma destek veren yük taşıyıcılarının türü, sayısı ve özelliklerine göre belirlenir.

Hall etkisi sensörü bir tür manyetik sensördür. Manyetik bir sensör, manyetik şekilde kodlanan bilgileri elektrik sinyallerine çevirme işlevine sahiptir. Hall etkisi sensörü, Hall etkisini tespit ederek çalışan bir sensördür. Hall etkisi sensörü ile elde edilen verilerle bir devrenin açılması veya kapatılması, manyetik bir alanın ölçülmesi veya bir bilgisayar tarafından işlenmek üzere verilerin elektronik olarak aktarılması mümkündür. Hall etkisi sensörünün özellikleri şunlardır:

• Manyetik bir anahtar gibi çalışır.
• Mekanik anahtarlara göre çok daha hızlıdır.
• 100 kHz üzerinde frekanslarda çalışabilir.
• Mekanik olmadığı için kontak riski yoktur.
• Doğrusal sensör vazifesi görebilir.
• Türüne göre N veya S kutbu ile çalışır.

Hall etkisi sensörü, Hall etkisiyle birlikte voltaj üreten manyetik ve yarı iletken bir sensör türüdür. Hall etkisi sensörünün hassaslık düzeyi, elektron hareketliliği ile doğru orantılıdır. Bu sebeple Hall etkisi sensörlerinde kullanılan malzeme önemlidir. Hall etkisi sensörlerinde genellikle galyum arsenit, indiyum fosfit veya indiyum antimonit kullanılır. Elektrik akımı söz konusu malzemeler üzerinden aktığında, elektronlar düz bir çizgide hareket ederek kendi manyetik alanlarını oluşturur. Hall etkisi sensörülerinde, manyetik alan meydana getirebilmek için sürekli elektrik akımı geçen ince bir yarı iletken bulunur. Herhangi bir mıknatısın yanına konulduğunda, manyetik akı ile söz konusu yarı iletkene kuvvet uygulanmış olur. Bu kuvvete "Lorentz Kuvveti" adı verilir. Lorentz Kuvveti sayesinde elektronlar harekete geçer ve ölçülmesi mümkün olan bir Hall voltajı ortaya çıkartır. Bu sayede sensör etkinleşmiş olur.