Магнитополупроводниковые приборы

 

Магнитополупроводниковые  приборы

     Введение

Магнитометры использовались с ранних дней электричества и магнетизма. Первые инструменты были основаны на отклонении стрелки компаса или на отклонении баллистического гальванометра от ЭДС., генерируемой поисковой катушкой. До сих пор широко используется феррозондовый магнитометр. В последнее время стали доступны более экзотичные и чувствительные устройства. К ним относятся протонные магнитометры, способные измерять 1 нТл, а также сверхпроводящие интерференционные устройства или SQUID, используемые в биомагнитных исследованиях для измерения полей порядка 1 пТл.

Для лабораторного применения доступны магнетометры для измерения полей от 0,1 мкТл до нескольких Тл. В табл.  приведен порядок амплитудных значений различных источников магнитного поля.

Таблица. Значение магнитного поля для некоторых распространенных источников магнитного поля

 

Источник магнитного поля	Порядок амплитуды
Геомагнетизм	10 мкТл
Устройства хранения данных	1 мТл
Проводник с током	1 мТл
Маленький постоянный магнит	10 мТл
Магнит из сверхпроводника	10 Тл

Среди полупроводниковых  устройств, представленных ниже, наиболее популярными являются приборы на эффекте Холла.

 

    Работа магнитополупроводниковых приборов основана на использовании явлений в полупроводниковых структурах, связанных с воздействием на них магнитного поля. Их массовое применение за последние годы в качестве элементной базы ЭС обусловлено бурным развитием автоматики, магнитной записи информации, устройств ввода и считывания информации и т.п. Магнитополупроводниковые приборы дают возможность полной электрической развязки входных и выходных цепей, бесконтактного преобразования малых механических перемещений в электрические сигналы, детектирования величины и направления индукции магнитного поля с высокой локальностью, создания не искрящих механических коммутаторов в электрических цепях, бесконтактного измерения электрических токов.

Многообразие типов  магнитополупроводниковых приборов обусловлено  многообразием гальваномагнитных  явлений, на базе которых они функционируют. В настоящее время в магнитополупроводниковых приборах используются следующие гальваномагнитные явления.

 

 

• Эффект Холла - возникновение поперечной разности потенциалов на гранях кристалла при прохождении через него электрического тока в поперечном ему магнитном поле.
• Магниторезистивный эффект - основан на отклонении линий тока под действием магнитного поля, которое используется непосредственно, в магниторезистивных устройствах длина намного больше ширины, поэтому эффектом Холла можно пренебречь.

 

Эффект Холла

В последние 20 лет  значительное развитие получила полупроводниковая  магнитоэлектроника. основанная на так  называемых гальваномагнитных явлениях. Эти явления представляют собой результат воздействия магнитного поля на электрические свойства полупроводников, по которым протекает электрический ток. Важнейшее из гальваномагнитных явлений — эффект Холла¹. Он состоит в том, что при протекании тока в полупроводнике возникает поперечная разность потенциалов, если на этот полупроводник действует магнитное поле, вектор которого перпендикулярен направлению тока.

 

 

Рис. 1. Влияние  эффекта Холла на траектории электронов в полупроводнике n-типа

 

    Эффект  Холла объясняется тем, что  на подвижные носители заряда  в магнитном поле действует сила Лоренца, которая вызывает их отклонение. Рассмотрим для примера это явление в полупроводнике п-типа (рис. 1). Все сказанное ниже об электронах можно повторить и для дырок. Электроны под действием силы Лоренца отклоняются к одной из граней полупроводниковой пластинки. На этой грани возникает отрицательный заряд, а на противоположной грани, откуда электроны уходят,- положительный заряд. Между электродами на этих гранях создается разность потенциалов и электрическое поле, которое противодействует смешению электронов под влиянием силы Лоренца. Когда сила, действующая на электрон со стороны поля, становится равной силе Лоренца, дальнейшее смешение электронов прекращается и наступает равновесное состояние. Сила поля равна qE. а сила Лоренца qvB. где q — заряд электрона, E — напряженность поля, v — скорость поступательного движения электронов. Из равенства этих сил вытекает, что E = vB. Выразив E как U_н /d, где U_н — напряжение Холла между электродами на гранях, a d — расстояние между гранями, получим U_H/d = vB или U_H — dvB.

Как видно, получается линейная зависимость между напряжением, возникающим при эффекте Холла, и магнитной индукцией, вызывающей это напряжение. Поэтому удобно использовать эффект Холла для построения приборов, измеряющих магнитную индукцию. Приборы, в которых используется эффект Холла, принято называть преобразователями Холла или датчиками Холла. Их широко применяют для различных измерений. Поскольку магнитное поле может быть создано электрическим током и в этом случае магнитная индукция пропорциональна силе тока, то на основе эффекта Холла созданы бесконтактные измерители силы тока. Это особенно важно для измерения сильных постоянных токов, протекающих по проводам большого диаметра, которые практически невозможно разрывать для включения амперметра.

Преобразователи Холла применяются и для многих других целей, например для измерения электрической мощности и таких неэлектрических величин, как давление, перемещение, угол и др. С помощью эффекта Холла возможно измерение подвижности и концентрации носителей заряда в полупроводниках.

Важнейший параметр преобразователей Холла — магнитная чувствительность, представляющая собой отношение возникшего напряжения к магнитной индукции, т. е. напряжение Холла при магнитной индукции, равной единице.

 

 

 

 

Магниторезистивный эффект

Обнаруженный Томсоном (лордом Кельвином) в 1856 г., этот феномен также является результатом действия силы Лоренца, но он основан на отклонении линий тока под действием магнитного поля, которое используется здесь непосредственно. В магниторезистивных устройствах длина намного больше ширины, поэтому эффектом Холла можно пренебречь.

Магнитное поле вызывает отклонение линий тока, как показано на рис. При этом возрастает ток через одну сторону пластины и соответственно падает через другую сторону. Изменение

сопротивления образца определяется как

 

       Магниторезистивные  датчики изготавливаются несколькими  компаниями. Типовое изделие выполнено из тонких полосок пермаллоя (20% железа, 80% никеля) на кремниевой подложке, соединенных по мостовой схеме. Это облегчает реализацию заказной топологии в рамках технологии интегральных схем. Типичный диапазон чувствительности датчиков — ±5 мТл с разрешением 10 нТл, а изменение сопротивления достигает 3% в максимальном по величине поле. Частотная характеристика аналогична датчикам на эффекте Холла на десятках кГц.

В настоящее время  привлекают большое внимание материалы, проявляющие так называемый гигантский магниторезистивный эффект (ГМЭ), открытый Бэйбичем и др. (1988). Этот эффект основан на зависимости рассеяния электронов от спина в очень тонких слоистых структурах. Изготавливают структуры из периодических слоев Fe-Cr или Сu-Со толщиной около 10 атомов. Сопротивление падает до 15% в полях ±30 мТл, и диапазон рабочих частот простирается от постоянного поля до 1 МГц. Датчики, основанные на ГМЭ, стали доступны в середине 1990-х гг. ГМЭ-материалы используют во многих устройствах хранения информации.

 

Магнитодиоды

 

  Магнитодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, у которых вольт-амперная характеристика изменяется под действием магнитного поля.

 

 

Рис. Структура магнитодиода

 

У обычных полупроводниковых диодов тонкая база и магнитное поле незначительно изменяет вольт-амперную характеристику. А магнитодиоды имеют толстую («длинную») базу, в которой длина пути тока много больше диффузионной длины инжектированных в базу носителей. Обычно толщина базы составляет несколько миллиметров. В этом случае сопротивление базы соизмеримо с прямым сопротивлением р-n -перехода. При увеличении индукции поперечного магнитного поля сопротивление базь: значительно возрастает, подобно том) как это происходит в магниторезисторе. Возрастает общее сопротивление диода и прямой ток уменьшается. Такое уменьшение тока связано еще и с тем что при увеличении сопротивления базы происходит перераспределение напряжения, т. е. увеличивается падение напряжения на базе и соответственно уменьшается напряжение на р—n - переходе, от чего дополнительно снижается ток.

 

Рис.2 . Вольт-амперные характеристики 

          Такой магнитодиодный эффект наглядно показывают вольт-амперные характеристики магнитодиода (рис.2). Из них хорошо видно, что с повышением магнитной индукции прямой ток уменьшается.

Следует отметить, что для магнитодиодов характерно значительно большее прямое напряжение, чем для обычных диодов, что объясняется большим сопротивлением базы.

Изготовляют магнитодиоды на основе полупроводников с возможно большей подвижностью носителей. Часто магнитодиоды делают со структурой p — i — n, причем удлиненная область i обладает значительным сопротивлением и именно в ней возникает резко выраженный магниторезистивный эффект. Чувствительность к изменению магнитной индукции у магнитодиодов выше, нежели у преобразователей Холла.

 

Магнитодиоды нашли широкое и разнообразное применение: в бесконтактных кнопках и клавишах, служащих для ввода информации; в качестве датчиков положения движущихся предметов; для считывания магнитной записи информации; для измерений и контроля различных неэлектрических величин. На магнитодиодах могут быть построены бесконтактные реле тока. Схема на магнитодиодах может заменять коллектор у электродвигателя постоянного тока. Возможны магнитодиодные усилители постоянного и переменного тока. Входом у них является обмотка электромагнита, магнитное поле которого управляет магнитодиодом, а выходом служит цепь самого диода. Для токов до 10 А можно получить коэффициент усиления в несколько сотен.

 

Магнитотранзисторы

 

Магнитотранзисторы представляют собой транзисторы, у которых характеристики и параметры изменяются под влиянием магнитного поля. На обычные биполярные транзисторы магнитное поле влияет слабо. Для значительного повышения магнитной чувствительности делают биполярные магнитотранзисторы с двумя коллекторами (рис.). Как видно из рисунка, коллекторы К₁ и К₂ расположены симметрично относительно эмиттера. При отсутствии магнитного поля ток коллектора делится на две равные части, которые попадают соответственно на коллекторы. Траектории электронов для этого случая показаны сплошными линиями. На резисторах нагрузки при этом равные падения напряжения, и выходное напряжение U между коллекторами равно нулю, так как потенциалы коллекторов одинаковы.

Если на транзистор будет действовать поперечное магнитное поле (вектор магнитной индукции В такого поля направлен перпендикулярно плоскости чертежа), то под влиянием силы Лоренца электроны коллекторного тока будут отклоняться. Их траектории показаны штриховыми линиями. На коллектор К₁ будет попадать больше электронов, и его ток увеличится, а ток коллектора К₂ соответственно уменьшится.

 

 

 

Рис. Принцип  устройства и схема включения биполярного магнитотранзистора с двумя коллекторами

 

Падение напряжения на резисторах нагрузки и потенциалы коллекторов станут различными. Выходное напряжение между коллекторами увеличивается с ростом магнитной индукции. Магнитная чувствительность такого транзистора значительно выше, нежели у преобразователей Холла

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. Структуры двух коллекторных магнитотранзисторов с горизонтальными (а) и («торцевыми») (б) коллекторами

Разработаны различные по структуре биполярные магнитотранзисторы; в частности, они могут быть изготовлены по планарной технологии. Помимо биполярного двухколлекторного магнитотранзистора существуют однопереходные магнитотранзисторы (двухбазовые диоды), а также полевые магнитотранзисторы. Представляют интерес магнитотиристоры, у которых напряжение включения можно изменять, воздействуя внешним магнитным полем. При отсутствии магнитного поля магнитотиристоры имеют некоторое среднее напряжение включения. Увеличивая напряженность магнитного поля в одном направлении, можно повысить напряжение включения, а в противоположном направлении,— понизить.

Магниторезисторы

Магниторезисторы — это полупроводниковые резисторы, у которых электрическое сопротивление зависит от действующего на резистор магнитного поля. Изменение электрического сопротивления под действием поперечного магнитного поля называют магнито- резиСтивным эффектом (эффектом Гаусса). Этот эффект объясняется следующим образом.

 

  Подложка

Если бы все электроны имели одинаковую среднюю скорость, то при равенстве силы поля и силы Лоренца они двигались бы так, как будто магнитного поля вообще нет. Но в действительности скорости у электронов различны. Поэтому для электронов, скорость которых отличается от средней, нет равенства силы поля и силы Лоренца. Одна из этих сил больше другой и вызывает отклонение электронов. Траектории таких электронов искривляются, и путь электронов становится длиннее, а это означает, что увеличивается сопротивление полупроводника. В этом и заключается магниторезистивный эффект. При увеличении магнитной индукции от 0 до 1 Тл сопротивление магниторезисторов может увеличиться в несколько раз.

Увеличение сопротивления тем больше, чем больше магнитная индукция и подвижность носителей. Поэтому для изготовления магниторезисторов применяют полупроводники с возможно более высокой подвижностью носителей заряда, например антимонид индия InSb или арсенид индия InAs и некоторые другие. Как и у всех полупроводниковых приборов, сопротивление магниторезисторов при повышении температуры значительно уменьшается.