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Hall Effect क्या है?
हॉल प्रभाव (Hall Effect) एक महत्वपूर्ण transport phenomenon है जो कंडक्टर और Semiconductor के लिए लागू होती है जो बड़े पैमाने पर charge carriers’ Concentration को या उसके चारों ओर Magnetic Field या इसके माध्यम से current का पता लगाने के लिए उपयोग की जाती है। जब एक current carrying solid material को Current की दिशा के लंबवत Magnetic Field में पेश किया जाता है, तो एक transverse electric field विकसित होता है इसलिए एक वोल्टेज उत्पन्न होता है। इसे Hall Voltage कहा जाता है, और इस घटना को ‘हॉल इफेक्ट’ (Hall Effect) कहा जाता है।
हॉल प्रभाव Principle (Hall Effect principle)–
Hall Effect Principle में यह कहा गया है कि जब एक current carrying कंडक्टर या Semiconductor को लंबवत Magnetic Field में रखा जाता है, तो एक transverse voltage उत्पन्न होता है । effect of obtaining a measurable voltage across material को Hall Effect के रूप में जाना जाता है। और इस अनुप्रस्थ वोल्टेज (Transverse Voltage) को Hall Voltage कहा जाता है। इस Principle को समझाने के लिए एक चित्र नीचे दिखाया गया है-
जब एक conducting plate DC Supply वाले circuit से जुड़ी होती है, तो एक Current प्रवाहित होने लगती है। और Charge Carriers लगभग सीधी, ‘Line of Sight’ का अनुसरण करेंगे। इस तरह Charge Carriers की गति के परिणामस्वरूप Magnetic Field उत्पन्न होते हैं जबकि Extrinsic Magnetic Field अनुपस्थित होता है। जब चुंबक को प्लेट के पास Current प्रवाह के perpendicular component के रूप में रखा जाता है, तो Charge Carriers का Magnetic Field disturb हो जाता है। इससे Charge Carriers के direct current में distortion उत्पन्न होता है। यह बल जो Charge Carriers के प्रवाह की दिशा को विचलित करता है, लोरेंत्ज़ बल (Lorentz Force)के रूप में जाना जाता है।
यहां hall element में charge density का असममित वितरण (asymmetric distribution) से एक बल उत्पन्न होता है जो ‘Line of sight’ पथ और Applied Magnetic field दोनों के लंबवत होता है। यह एक Electric Field स्थापित करता है जो आगे के Charge Carriers के flow का विरोध करता है और इसलिए लंबे समय तक प्रवाहित होने वाले आवेश के परिणामस्वरूप एक स्थिर Electric Potential स्थापित होती है। इसे Hall Voltage (VH) कहते हैं।
हॉल प्रभाव (Hall Effect) derivation –
एक simple metal के लिए जहां Charge Carrier के रूप में केवल Electron होते हैं, Hall Voltage (VH) लोरेंत्ज़ बल का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है और यह देखते हुए कि steady state की स्थिति में, Charge Carrier Y-axis दिशा में नहीं बढ़ रहे हैं। इस तरह, y-axis दिशा में Electrons पर चुंबकीय बल आवेशों के निर्माण के कारण y-axis Electric बल द्वारा cancel कर दिया जाता है। इसलिए-
Hall Effect का उपयोग Carrier Concentration या Magnetic Field को मापने के लिए किया जाता है।
Hall voltage formula –
The Hall voltage (VH) is defined as-
Hall Coefficient formula –
The Hall coefficient (RH) is defined as-
Hall coefficient (RH) is measured mostly in known units such as – “m3/C” or “Ω·cm/Gauss” or “Ω·cm/G”
हॉल प्रभाव (Hall Effect) in semiconductors-
Semiconductor में Hall Effect, Conductors की तरह ही होता है। अंतर तब होता है जब एक conductor पर वोल्टेज लगाया जाता है, Electric प्रवाह केवल Free Electrons के कारण होता है। जबकि Semiconductor में, वोल्टेज apply करते समय, Free Electrons के साथ-साथ Holes के कारण भी current का संचालन होता है। Semiconductor 2 Type के होते हैं – Intrinsic Type और Extrinsic Type, और फिर से Extrinsic Semiconductor को P-Type के Extrinsic और n- Type के Extrinsic Semiconductors के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। Semiconductor Material के लिए Hall Coefficient को परिभाषित किया गया है-
Hall Effect in different materials-
- Conductors में, Free Electrons के कारण current प्रवाहित होता है, इसलिए Hall Coefficient Negative होता है। अर्थात। उत्पादित हॉल Electric Field की दिशा Negative y- दिशा है। धातुओं में, Hall Effect वोल्टेज बेहद छोटा और मापने में मुश्किल होता है।
- Intrinsic Semiconductor में, थर्मल संतुलन में Free Electrons और Holes की समान Concentration होती है, इसलिए यहां आदर्श रूप से Hall Coefficient शून्य होने की उम्मीद है, लेकिन चूंकि Hall Effect चालकता पर निर्भर करता है और चालकता Mobility पर निर्भर करती है और Electrons की Mobility भी Holes से अधिक होती है। . इसलिए Intrinsic Semiconductor n Type के रूप में अधिक व्यवहार करते हैं, इस Type Hall Coefficient कुछ हद तक Negative होता है।
- P- Type के Semiconductor में, Electric Field और Current मुख्य रूप से Holes के कारण होती है क्योंकि छिद्र बहुसंख्यक Carrier होते हैं। इससे Hall Voltage धनात्मक होता है और Hall Coefficient p- Type के Semiconductors के लिए धनात्मक होता है। तो उत्पादित हॉल Electric Field की दिशा Positive y- दिशा है।
- N- Type के Semiconductors में, Electric Field और Current मुख्य रूप से किसके कारण होती है Electrons के रूप में Free Electron बहुसंख्यक Carrier होते हैं। इससे Hall Voltage Negative होता है और Hall Coefficient n- Type के Semiconductors के लिए Negative होता है। अतः उत्पादित हॉल Electric Field की दिशा Negative y-दिशा है।
- Insulator में, कोई Free Electron नहीं होते हैं और इसलिए DC Supply से जुड़े होने पर Material के माध्यम से कोई प्रवाह नहीं होता है, इसलिए कोई Hall Voltage उत्पन्न नहीं होता है और Hall Coefficient शून्य होता है।
Application of Hall Effect-
Hall Effect principle is applied on the following cases-
- Hall Effect का उपयोग Carrier Concentration और Magnetic Field की तीव्रता को मापने के लिए किया जा सकता है।
- इसका उपयोग Material के Type को निर्धारित करने के लिए किया जाता है अर्थात कौन सा Semiconductor (p Type या n- Type) या धातु।
- इसका उपयोग Mobility या Charge Carriers, Material की conductivity की measure करने के लिए किया जाता है।
- Hall Effect का उपयोग Direct Current के मापन के लिए किया जाता है, (Hall Effect Tong Tester)
- Magnetic Field sensing equipment में
- यह phase angle measurement में प्रयोग किया जाता है
- Proximity detector में
- Hall Effect Sensor और Hall probes में
- Linear or Angular displacement transducers में
- wheel speed का पता लगाने के लिए और तदनुसार ABS – एंटी-लॉक ब्रेकिंग सिस्टम को assist करने में