- 2 -
I. ВВЕДЕНИЕ
І
В последнее время все большее применение находят полупроводниковые гальваномагнитные приборы. Неослабевающий интерес к гальваномагнитныы явлениям и приборам, основанным на них, объясняется рядом особенностей и достоинств, основные из которых:пропорциональность выходного сигнала векторному произведению электрического и магнитного полей, действующих на прибор, отсутст-вие электрической связи между входной и выходной цепями ЭТИХ приборов, малые габариты, потребляемая мощность, высокая надежность и другие. Эти особенности делают их перспективными для широкого научного и промышленного использования и позволили сконструировать серию простых, удобных и надежных измерительных приборов и функциональных устройств разнообразнейшего назначения / 1-23 /, создание которых без гальваномагнитных приборов было бы затруднительно, а в некоторых случаях - невозможно.
До недавнего времени техническое использование находили лишь датчики Холла и магниторезисторы. Основные недостатки этих приборов - относительно малая величина выходного сигнала и низкая чувствительность к магнитному полю - существенно тормозили их широкое внедрение в технику.
Открытие магнитодиодного эффекта / 24-26 / и разработка приборов на его основе - магнитодиодов различных типов, а также серийный их выпуск промышленностью нескольких стран еще более увеличили интерес к гальваномагнитным пряборам.Магнитодиоды обладают высокой чувствительностью к магнитному полю (на 2...3 порядка большей, чем у датчиков Холла и магниторезисторов), существенной величиной выходного сигнала, однако имеют недостатки, из них наиболее существенные: сильная температурная зависимость характеристик прибора, нелинейность его выходной характеристики и относи-
- 3 -
гтельно шзкая чувствительность к малым магнитным полям.
Возрастающие с каждым годом исследования, обязанные с изучением магнитного поля Земли, разведкой полезных ископаемых, исследованием слабых магнитных полей биологических объектов и космического пространства.разработка систем пасоивной навигации и внедрение некоторых автоматизированных систем, требуют создания магниточувствительных приборов, удовлетворяющих общим требованиям, предъявляемым к современным полупроводниковым приборам и обладающих высокой чувствительностью к малым магнитным полям, малым весом и габаритами, линейностью выходных характеристик.Тре-бованиям, предъявляемым этими важнейшими народно-хозяйственными задачами в значительной степени удовлетворяют недавно разработанные магнитотранзисторы различных типов / 27-30 /. Однако этим перспективным магниточувствительным приборам до настоящего времени в отечественной и зарубежной литературе уделено недостаточно внимания. Результаты исследований, изложенные в настоящей работе, в некоторой степени восполняют этот пробел.
Цель данной работы - разработка и теоретическое и экспериментальное исследование диффузионно-дрейфовых магнитотранзисто-ров, пригодных для использования в качестве датчика слабых и средних (до 0,1 Т) магнитных полей и в перемножителях аналоговых сигналов.
В работе разработаны методы расчета статических и динамических характеристик диффузионно-дрейфового магнитотранзистора в зависимости от основных электрофизических параметров применяемого полупроводникового материала, геометрии прибора и внешних электрических и магнитных воздействий. По разработанным методикам расчитаны и изготовлены лабораторные образцы германиевых магнитотранзисторов и исследованы их основные характеристики.
_ Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает
- 4 -
. \
12%. На базе германиевых ыагнитотранзисторов разработаны и изготовлены перемножители аналоговых сигналов. Разработана и изготовлена опытная партия кремниевых приборов, использованных в разработках магнитометра и устройстве для контроля качества поверхностей изделий из ферромагнитных материалов.
На защиту выносятся следующие основные полученные новые результаты:
1. На основании анализа процеосов, происходящих в структуре диффузионно-дрейфового двухколлекторного магнитотранзистора получены простые выражения для расчета чувствительности и выходных параметров прибора в зависимости от тока эмиттера, магнитного поля, действующего на пластину прибора, геометрических размеров и основных электрофизических параметров пластины.
2. Проанализированы динамические свойства прибора. Получены соотношения для расчета быстродействия прибора в зависимости от его геометрии, электрических воздействий на прибор и электрофизических характеристик применяемого материала пластины. Выявлены и исследованы причины, влияющие на линейность амплитудно-частотной характеристики и даны зависимости, позволяющие оценить амплитудно-частотную характеристику прибора. Для оценки порога чувствительности измерены и проанализированы шумы опытных образцов ыагнитотранзисторов. Разработана эквивалентная охема для переменного сигнала двухколлекторного диффузионно-дрейфового магнитотранзистора и даны выражения для расчета ее элементов.
3. Выявлены и проанализированы причины,влияющие на температурную зависимость выходной характеристики прибора.
4. Разработаны опытные образцы магнитотранзисторов, созданы методики и установки и проведено экспериментальное исследование основных статических и динамических характеристик магнитотранзисторов, дан анализ полученных результатов.
Г 5. В качестве примера использования магнитотранаисторов разработаны и изготовлены аналоговый перемножитель сигналов и измеритель индукции магнитного поля.
Практическая ценность работы. Перспективы применения магнито-транзисторов достаточно широки. Разработанные методы расчета характеристик прибора и полученные количественные соотношения позволяют рассчитывать изготовляемые магнитотранзисторы с заданными характеристиками и при использовании их в качестве элемента системы иди интегральной схемы обеспечивать оптимальное согласование параметров цепей.
Устройства с использованием разработанных магнитотранзисто-ров внедрены в производство ЩИИХМ, НИИТМ, организации НИС <ХГУ> и используются в разработках ОКБ и других предприятий. Общий экономический эффект от использования результатов работ составляет более 75 тыо.руб. в год. Результаты внедрения и расчеты экономической эффективности приведены в приложении.
Диссертация состоит из 6 разделов, списка цитированной литературы и приложения. Объем работы НОВ стр.текста, 59 рисунков, 131 наименование цитированной литературы.
Раздел I - введение.
В разделе 2 освещается современное состояние и перспективы развития гальваномагнитннх приборов. В нем приведены сведения об основных методах и конструктивных решениях, позволяющих улучшить характеристики датчиков Холла и магниторезисторов. Основное внимание в разделе 2 удалено магнитодиодам, магнитотранзисторам,магниточувствительным схемам и приборам. По обзору сделаны выводы и излагается цель диссертационной работы.
Раздел 3 посвящен анализу и синтезу магнитотранзиоторов, разработке методов расчета и расчету основных статических и динамических характеристик прибора.
В разделе 4 приведены методики и результаты экспериментального исследования опытных образцов магнитотранзисторов предпринятого с целью проверки положений и выводов раздела 3.
В разделе 5 даны примеры использования магнитотранзисторов.
В заключении (раздел 6) кратко обобщены результаты работы и сделаны выводы.
Результаты работы докладывались и обсувдались на Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио 5-7 июня 1973 г., Л Республиканском семинаре "Нелинейные эффекты в микроэлектронике и их применение", 22-25 мая 1974 г., семинаре научного совета АН УССР по проблеме "Теоретическая электротехника и электроника", 13 июня 1975 г., Четвертой региональной научно-технической конференции по применению вычислительной техники, 18-19 июня 1975г научно-технических конференциях профессороко-преподавательского состава ХГУ и радиофизического факультета ХГУ в 1972-1974 гг и на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, РИСХМа в 1975 - 1983 гг.
Основные положения диссертации опубликованы в / 27,84,105, 106-108, 117, 118,12$, 131 /.
7
2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГАЛЬВАНОМГНИТНЫХ ПРИБОРОВ
Явления, возникающие при воздействии магнитного поля на движущийся носитель тока, называют гальваномагнитными и согласно классификации, приведенной в / I /, подразделяют на поперечные -эффект Холла (поперечная разность потенциалов) и эффект Эттингсгаузена (поперечная разность температур) и продольные - аффект Гаусса (изменение удельного сопротивления в магнитном поле) и эффект Нернста (продольная разность температур). К гальваномагнитным относят также магнитоконцентрационный (эффект Суля) и магнитодаЗщый эффекты.
Из перечисленных эффектов в науке, технике магнитных измерений, автоматических и вычислительных устройствах широкое применение нашли только эффекты Холла, Гаусса и магнитодиодный. Ниже рассмотрены выпускаемые промышленностью, опытные и лабораторные образцы приборов, основанных на гальваномагнитных явлениях, проанализированы основные возможности, показаны пути, по которым ведется совершенствование характеристик этих приборов и даны их основные параметры, достоинства, недостатки, возможные области применения.
2.1. Датчики Холла и магниторезисторы
Датчикам Холла и магниторезисторам посвящено большое количество исследований и работ / 1-23, 31-37 /, целью которых является, помимо расширения областей применения этих оригинальных явлений, совершенствование характеристик приборов, использующих эти эффекты. Для датчиков Холла - это увеличение чувствительности, получение больших выходных напряжений, повышение к.п.д., снижение потребляемой мощности и уровня шумов, увеличение рассеиваемой мощности при допустимом перегреве датчика, улучшение линейности выходных характеристик, расширение динамического и чаототного диапазонов.
- 8 -
Требования к характеристикам магниторезисторов, в основном, аналогичны. Решение этих вопросов ведется различными способами.
Получение максимальных чувствительности, выходных сигналов и к.п.д. возможно за счет применения полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей тока, однако при этом другие характеристика могут ухудшаться.
Для уменьшения температурной зависимости и повышения верхнего диапазона рабочих температур целесообразно использовать широкозонные полупроводники с высокой подвижностью.
С целью повышения чувствительности датчика Холла предлагается / 38 / элемент Холла из полупроводникового материала, отдельные области которого различаются по удельному сопротивление ( у ) и коэффициенту Холла ( (^ ). Суммарный коэффициент Холла оказывается выше коэффициентов отдельных участков
Р _ вх< ‘ Л + %хг ,
* ~ Р* + Л
где Ях - суммарный коэффициент Холла, индексы I и 2 введены для различия областей кристалла.
Ях=Кх, + йхг-4 при р» »Р,
1
Неоднородное распределение удельного сопротивления осуществляется известными технологическими приемами. Такой датчик Холла характеризуется высокой чувствительностью.
Получение более высокого к.п.д.датчика Холла, чем показывает расчет ( 17$ / 39 /), возможно за счет увеличения числа холлов-
еких и токовых контактов при условии, что цепи этих контактов независимы / 21 /. Один из возможных вариантов схемы такой конструкции представлен на рис. 2.1. Как показано в / 21 /, максимально возможное значение к.п.д. датчика Холла, имеющего т пар одинаковых холловских контактов и п пар одинаковых токовых контактов
- 9 -
• Л "• яг • .
и*
[А.
-у--- •, •• • ^ у 1ч у. .а..
Рис 2.1* Конструкция и схема развязки входных и выходных цепей многоэлектродного датчика Холла.
при • В , стремящемся к бесконечности, находится из выражения:
V < ♦ тп - (
П.тох ~ ,...... ~
V 1 + тп + \
В / 22 / приведены сведения, что, используя многоэлектродные датчики Холла, можно довести его к.п.д. до 70%. Существенным недостатком таких конструкций является необходимость электрической развязки контактов датчика, которая вносит дополнительные погрешности и значительно усложняет конструкцию.
Описана конструкция батареи датчиков Холла / 6 /, представляющая собой совокупность элементов, холловские контакты которых соединены последовательно. Батарея развивает напряжение на выходе порядка 8 В. Материалом пластин генераторов служит . Габариты конструкции: 16x6x0,4 мм3.
Существуют датчики Холла, выходная величина которых пропорциональна не э.д.с., а току Холла. Такой датчик, выполненный в виде плоского полупроводникового кольца, по которому в радиальном направлении пропущен переменный ток, предложен в / 40 /. При введении датчика в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости кольца, в последнем, в результате искривления траектории носителей тока, возникает циркулярный переменный ток, который может быть измерен наложенной на кольцо катушкой индуктивности, подключенной к вольтметру переменного тока. Изменяя коэффициент трансформации такого прибора (изменяя количество витков катушки индуктивности), можно получать различные выходные напряжения. Недостаток такой конструкции - необходимость питания переменным током, а также низкая технологичность и значительные габариты рабочей части датчика, что ограничивает область его применения.
Разработан датчик Холла с изменяющейся толщиной активной области / 41 /, представляющей собой полупроводниковую пластину, в ко-
торой тонкая активная область изолирована от основного объема о помощью р-п - перехода. На активной области симметрично расположены четыре контакта датчика Холла. Базовая область имеет пятый контакт, позволяющий подавать смещение на р-п - переход. При подаче обратного смещения через базовый контакт и один из контактов активной области положение пространственного заряда в р-п - переходе изменяется, т.е. изменяется эффективная толщина активной области датчика Холла, что приводит к изменению выходного напряжения на холловских контактах. Таким образом, выходное напряжение в этом приборе есть функции трех величин: магнитного поля, тока питания датчика и напряжения на р-п - переходе. Прибор может быть использован в измерительной технике и как функциональный элемент.
Улучшение характеристик магниторезисторов ведется, в основном, по пути применения полупроводниковых материалов, обладающих необходимыми свойствами и совершенствованием конструкций и технологии изготовления приборов.
Основные характеристики датчиков Холла, выпускаемых промышленностью ряда стран, а также некоторых лабораторных образцов, приведены в / 12-20,42 /, а магниторезисторов в / 13-17,19,23,42 /.
К настоящему времени для известных полупроводниковых материалов можно считать исчерпанными возможностями значительного улучшения параметров датчиков Холла и магниторезисторов за счет совершенствования схемных и конструктивных решений и улучшения технологии их изготовления. Дальнейшее улучшение параметров магниточувствительных приборов ведется сейчас, в основном, за счет разработок полупроводниковых приборов, в которых гальваномагнитные явления являются первопричиной, приводящей к возникновению одного или нескольких других явлений, которые проще учесть или измерить. Количественная оценка этих "вторичных" явлений позволяет судить о применяемых электромагнитных воздействиях на прибор, при этом появля-
12
ется возможность значительно улучшить его характеристики.
2.2. Магнитодиоды
Обнаруженный в 1959 г. В.И. Стафеевым магнитодаодный эффект в несимметричных р-п - переходах / 25 /, заключающийся в модуляции магнитным полем параметров неравновесной проводимости, определяющих сопротивление прибора, послужил основой для разработки, исследования свойств и характеристик, серийного производства в ряде стран и широкого технического применения магнитодиодов различных конструкций.
Простейший магнитодаод представляет собой структуру, состоящую из полупроводникового материала (для определенности П -типа), на одном конце которого создается омический контакт I, а на противоположном конце - р-п - переход (рис. 2.2). Отличительная особенность этих приборов - резкая несиыметрия р-п - перехода (равновесная концеитрщия носителей тока в базе много меньше, чем в р -области) и значительная длина базовой области.
При прямом смещении р-п - перехода через структуру течет ток, определяемый приложенным напряжением и сопротивлением прибора, которое, в свою очередь, определяется сопротивлениями базовой области, р-п - перехода и р - области. Сопротивление р - области сравнительно мало и им в рассмотрении принебрегаем.
Воздействие на структуру поперечного магнитного поля В приводит к отклонению под действием сил Лоренца к боковой грани баш основных и неосновных носителей тока, определяющих сопротивление базовой области. Искривление траектории движения носителей тока эквивалентно уменьшению эффективной длины диффузионного смещения неосновных носителей и эффективной подвижности основных носителей тока, а также удлиняет линии тока. Все это приводит к уменьшению глубины проникновения в базу инжектированных р-П - переходом носителей
Рис 2.2. Структура и схема включення магнитоднода. І - омический контакт.
14
тока и вызывает увеличение сопротивления базовой области. Как показано в / 43,44 / при постоянном напряжении, приложенном к структуре, в магнитном поле изменение сопротивления р- п - перехода во много раз меньше, чем изменение сопротивления базы.В результате описанных выше процессов происходит перераспределение падений напряжений на р-п - переходе ( Ыр.п ) и базовой области ( Ш): составляющая и& возрастает, а ир.п- уменьшается. Уменьшение напряжения на р-п переходе приводит, в свою очередь, к уменьшению уровня инжекции неосновных носителей, что приводит к новому увеличению и& и уменьшению ир.п и т.д. Таким образом, магнитолао-ды обладают внутренней положительной обратной связью.
Аналогичным образом работает магнитодиод с п’-р - переходом и базой р -типа.
По изменению сопротивления прибора можно судить о величине магнитного поля, действующего на приборе. Количественная оценка описанного магнитодиодного эффекта рассмотрена в / 25,26,45-50 /. Магнитодиоды с рассмотренным принципом действия работоспособны в достаточном широком интервале индукций магнитного поля и обладают чувствительностью, на порядок прешшающей чувствительность магниторезисторов. Выходные характеристики таких приборов нелинейны и имеют существенную и нелинейную зависимость от температуры и практически не зависят от направления магнитного поля.
Еще большей (на два порядка по сравнению с магниторезисторами) чувствительностью обладают магнитодиоды, в которых длина диффузионного смещения уменьшается значительно сильнее под действием магнитного поля не только вследствие изменения подвижности,но и вследствие изменения времени жизни носителей тока / 51-53 /. Практически это достигается повышением темпа рекомбинации отклоненных магнитным полем носителей тона путем образования в базо-—вой области участка с высокой плотностью центров рекомбинации.Та-
- Київ+380960830922