Лекция № 14. Магниторезистивные и гальваномагниторекомбинационные преобразователи

МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Сопротивление проводящего канала при наличии носителей заряда двух знаков определяется выражением

(14.1)

где е - заряд электрона; n и u_n - соответственно средняя концентрация и подвижность электронов (анионов); р к u_p - средняя концентрация и подвижность дырок (катионов); / и S - соответственно длина и сечение проводящего канала.

При воздействии на канал магнитного поля изменяется его электрическое сопротивление вследствие изменения подвижности носителей заряда, их средней концентрации и изменения соотношения размеров проводящего канала. Магниторезистивный эффект можно наблюдать в чистых металлах, в полупроводниках, а также в электролитах.

К магниторезистивным преобразователям относятся магниторезисторы, магнитодиоды, биполярные магнитотранзисторы, гальваномагниторекомбинациониые преобразователи и полевые магнитотриоды. В настоящее время для создания средств измерений практическое применение нашли магниторезисторы и гальваномагниторекомбинационные преобразователи. Остальные типы магниторезиставных преобразователей, за исключением магнитодиодов, находятся еще в стадии развития. Магнитодиоды применяются главным образом в качестве бесконтактных переменных резисторов.

Магниторезисторы представляют собой гальваномагнитные преобразователи (ГМП), изменение сопротивления которых обусловлено изменением подвижности носителей заряда. Под действием магнитного поля траектории носителей искривляются, вследствие чего скорость их движения в направлении электрического поля уменьшается. Уравнение преобразования магниторезистора имеет вид R_В = , где u - подвижность носителей заряда; R - сопротивление преобразователя при В = 0; А - магниторезистивный коэффициент, зависящий от свойств материала и формы преобразователя; m - показатель степени, равный 2 в слабых магнитных полях (В ≤ 0,2 ÷ 0,5 Тл), для которых uВ≤ 1, и равный 1 в сильных магнитных полях, для которых uB ≥ l.

Как видно из рис. 14.1, а, функция преобразования магниторезисторов является четной, поэтому как в постоянном магнитном поле любой полярности, так и в переменном магнитном поле их сопротивление увеличивается. Максимум приращения сопротивления при данном значении магнитной индукции имеет место, если угол между вектором магнитной индукции и осью направленности магниторезистора равен 0 или 180°.

Первые магниторезисторы выполнялись из висмута (висмутовые спирали). В настоящее время магниторезисторы изготовляются из полупроводниковых материалов группы А^IIIВ^V - антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs) и др., в которых сильно проявляется магниторезистивный эффект вследствие большой подвижности носителей заряда.

Магниторезистивный коэффициент А зависит от формы магниторезистора. Чем меньше отношение длины резистора к площади его сечения, тем больше коэффициент Л. В этом отношении оптимальна конструкция в виде диска Корбино (рис.14.1, б), у которой один электрод укреплен в центре, а другой - в виде обода на окружности.

Рис. 14.1

У такого преобразователя нет граней для концентрации носителей заряда, вследствие чего уменьшается влияние эффекта Холла. Недостатком магниторезисторов в виде дисков Корбино и коротких прямоугольных пластинок является их малое начальное сопротивление. Для увеличения этого сопротивления магниторезисторы выполняются в виде ряда коротких полупроводниковых резисторов, соединенных последовательно проводящими слоями (растрами) (рис. 14.1, в). Это позволяет создавать магниторезисторы с сопротивлением несколько килоом при сохранении большого значения коэффициента А.

В последнее время магниторезисторы выполняют из эвтектического сплава, в котором методом направленной кристаллизации образуются тонкие (d = 1 мкм) иглы из антимонида никеля (NiSb), которые равномерно располагаются параллельно друг к другу на расстоянии 20-400 мкм в толще полупроводника. Поскольку удельная проводимость NiSb на 2-3 порядка больше, чем у InSb, то эти иглы выполняют роль проводящих растров высокоомных магниторезисторов.

Рис. 14.2

Основными метрологическими характеристиками магниторезисторов являются начальное сопротивление R₀, которое лежит в пределах от долей ома до десятков килоом, и магниторезистивпая чувствительность S_В dR/dB. Обычно для характеристики магниторезистивных преобразователей используют зависимости ∆ R_В/R₀ = F (В), где ∆ R_В = R_В – R₀. На рис. 14.2 показано семейство таких зависимостей для четырех магниторезисторов, отличающихся отношением длины резистора к площади его сечения. Наибольшую чувствительность имеет магниторезистор в виде диска Корбино (кривая 4). Значение допустимого тока I_B1 определятся по формуле Начальный ток /о для разных типов магниторезисторов лежит в диапазоне 1-100 мА. Рабочий диапазон температур магниторезисторов составляет от -271 до +327 °С. Для работы при низких температурах весьма перспективны магниторезисторы из антимонида индия.

Температурный коэффициент сопротивления магниторезисторов (ТКС) зависит от состава материала, магнитной индукции и температуры. Чем больше чувствительность магниторезистора, тем больше его ТКС. Значения ТКС различных типов магниторезисторов имеют пределы 0,0002-0,012 К^-1.

Частотные характеристики магниторезисторов в основном определяются межэлектродными емкостями. У дисков Корбино частотная погрешность меньше, чем у прямоугольных преобразователей, для которых при изменении частоты от 0 до 10 МГц магниторезистивная чувствительность уменьшается на 5-10%.

Магниторезистивные преобразователи находят применение в качестве бесконтактных переменных резисторов и делителей напряжения с плавно регулируемым коэффициентом деления, модуляторов малых постоянных токов и напряжений. используются для создания тесламетров для работы при сверхнизких температурах и датчиков для измерения ряда неэлектрических величин, легко преобразуемых в изменение магнитной индукции, и бесконтактного измерения токов.

Магнитодиоды представляют собой диоды с несимметричным р-n-переходом, в котором под действием магнитного поля уменьшается подвижность и концентрация носителей зарядов, вследствие чего увеличивается прямое сопротивление перехода и при заданном токе увеличивается падение напряжения на р-n-переходе. Характеристики выпускаемых магнитодиодов приведены в табл. 14.1. Допустимая мощность для всех приведенных в табл. 14.1 диодов составляет 0,2 Вт при температуре окружающей среды 25 °С, допустимый диапазон температур от -60 до +85 °С, частотный диапазон по электрическому и магнитному полям 0-1 кГц.

Таблица 14.1

Тип магнитодиода	Параметр
	U, B (при I=3мА, В=0)	S, В/Тл
КД301А	6-7,5	15
КД301Б	7,5-9	15
КД301В	9-10,5	30
КД301Г	10,5-12	30
КД301Д	12-13,5	45
КД301Е	13,5-15	45
КД301Ж	15-20	60

Очевидным преимуществом магнитодиодов является их высокая чувствительность, однако пока метрологические характеристики магнитодиодов, такие, как нелинейность и разброс характеристик, чувствительность к температуре, трудность ориентации в магнитном поле, затрудняют их применение для измерения параметров магнитных полей. Магнитодиоды применяются в качестве бесконтактных потенциометров, переключателей и реле.

ГАЛЬВАНОМАГНИТОРЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Гальваномагниторекомбинационные преобразователи (ГМРП) основаны на изменении средней концентрации носителей заряда под действием магнитного поля, проявляющемся в проводниках, которые имеют поверхности с разной скоростью

рекомбинации носителей зарядов. ГМРП обычно представляет собой тонкую полупроводниковую пластинку (рис. 14.3), у которой одна из боковых поверхностей (1) грубо обработана (пескоструйка, грубая шлифовка), а другая (2) - отполирована. Вследствие этого у поверхности / скорость рекомбинации носителей зарядов на 2-3 порядка больше, чем у поверхности 2.

Рис. 14.3

Если ГМРП находится в магнитном поле так, что вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно вектору плотности тока через ГМРП и параллельно плоскостям рекомбинации, то под действием силы Лоренца произойдет смещение носителей зарядов к одной из боковых поверхностей. Если направление магнитного поля таково, что заряды перемещаются к поверхности 1, то общая концентрация носителей зарядов уменьшается и соответственно возрастает сопротивление ГМРП. При обратном направлении вектора магнитной индукции изменяется направление силы Лоренца, что приведет к перемещению зарядов к поверхности 2, у которой малая скорость рекомбинации, и к общему увеличению концентрации зарядов, т. е. к уменьшению сопротивления ГМРП.

Таким образом, в отличие от магниторезисторов, у которых изменение сопротивления не зависит от полярности магнитной индукции, у ГМРП изменение сопротивления зависит от направления вектора магнитной индукции. При неизменном направлении магнитной индукции изменения знака приращения сопротивления можно достигнуть изменением направления тока через ГМРП. Следовательно, в магнитном поле ГМРП имеет свойства, аналогичные свойствам диода.

Рис. 14.4

ГМРП обычно включается последовательно с сопротивлением нагрузки в цепь, питаемую от стабилизированного источника постоянного или переменного напряжения. При питании ГМРП переменным током (рис. 14.4, а) и воздействии постоянного магнитного поля происходит модуляция сопротивления ГМРП R, обусловливающая переход цепи в режим квадратичного детектирования, что приводит к появлению на зажимах ГМРП постоянной составляющей, пропорциональной значению магнитной индукции.

При питании ГМРП постоянным током и воздействии переменного магнитного поля (рис. 14.4, б) на зажимах ГМРП возникает переменная составляющая падения напряжения. На рис. 14.5 приведены зависимости выходного напряжения от магнитной индукции (а), тока (б) и температуры (е) для ГМРП типа ГМР-1.

Рис. 14.5

Чувствительность к магнитной индукции ГМРП S_B = ∆U_вых /∆В на 2-3 порядка больше чувствительности преобразователей Холла.

Однако порог чувствительности ГМРП из-за сильной зависимости сопротивления ГМРП от температуры, влияния шумов и выпрямляющего действия контактов такого же порядка, как у преобразователей Холла. Частотный диапазон указанных типов ГМРП составляет 0-10¹⁴ Гц. В переменных магнитных полях достигнут порог чувствительности ГМРП 5*10^-7 Тл. ГМРП применяются для измерений магнитной индукции переменных и постоянных магнитных полей, бесконтактного измерения токов, малых перемещений и других величин.