2.4. Магниторезитивный датчики
Для создания магниторезистивных датчиков используют полупроводники с высокой подвижностью носителей заряда, такие как InSb, NiSb или ферромагнетики типа пермаллоя (80%Ni и 20%Fe). Современная тонкопленочная технология позволяет изготавливать небольшие магниторезистивные датчики в виде меандров. Толщина меандровой полоски составляет приблизительно 25 мкм, а ширина не превышает 80 мкм. Чаще всего используют два меандра взаимно перпендикулярной ориентации, соединенных последовательно, с общим средним выводом. При использовании такого вида датчика для измерения скорости вращения магнит, установленный на оси вращения, проходит мимо меандров, которые являются двумя плечами мостовой схемы. средний общий вывод являясь одной из общих точек диагонали измерительного моста подключен на усилитель. В результате может быть установлена взаимосвязь напряжения выходного сигнала датчика и напряженности магнитного поля или угла поворота магнита.
Другим интересным применением магниторезисторов является считывание информации в устройствах с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД). Магниторезистивный преобразователь реагирует на магнитное поле рассеяния проходящего ЦМД. Сопротивление пленочного маниторезистора из пермаллоя анизотропно и равно
R = Ro + Rcos2,
где R - анизотропия магнитосопротивления, - угол между векторами плотности тока и намагниченности.
Электрическое сопротивление преобразователя с током изменяется в результате отклонения вектора намагниченности М полем рассеяния магнитного носителя из пермаллоя на угол. Датчик, который под воздействием управляющего поля оказывается в состоянии близком к насыщению, располагается около доменопродвигающей аппликации. Если ЦМД отсутствует, то направление вектора М датчика и направление тока в длинной стороне меандра взаимно перпендикулярны, = 90 и R = Ro. При наличии ЦМД управляющее поле и поле рассеяния ЦМД компенсирую друг друга. При этом в пермаллоевой пленке датчика возникают два домена с противоположными намагничиванием вдоль оси легкого намагничивания и параллельной току, т.е длинной стороне. Таким образом, один из двух магниторезисторов рабочим и выдает сигнал от «нулей» и «единиц», индуцируемых ЦМД и продвигаемых по рабочему каналу. Другой - в нерабочем канале, выдает «нули» и является опорным. Выходной усилитель воспринимает разность этих сигналов, формирует двоичный сигнал: «0» или «1» проходящий по рабочему каналу.
Глава 3. Фотоэффекты в твердых телах
3.1. Поглощение света полупроводниками
Явление преобразования излучения в электрический сигнал связано с поглощением света. Если на поверхность твердого тела падает внешнее световое электромагнитное излучение с длиной волны и интенсивностью Io(), то часть светового потока отразится, часть поглотится, какая-то часть может пройти насквозь, если толщина тела мала.
Отраженный поток характеризуется коэффициентом отражения, который определяет долю отраженного света
R() = IR/Io. (3.1)
Коэффициент пропускания Т() также характеризует долю прошедшего светового потока
Т() = IТ/Io. (3.2)
Количество световой энергии, характеризуемое интенсивностью излучения, поглощенное слоем dx пропорционально падающему потоку, интенсивности Io и коэффициенту поглощения ()
dI = ()Iodx (3.3)
При dx = 1 коэффициент поглощения () = dI/I, т.е. относительному изменению мощности света на единицу пути, проходимого в поглощающей среде. Его размерность обратная длине волны (м-1, см-1).
С учетом отражения (1.3) интенсивность света поглощенного в образце Iф на глубине х будет определяться законом Бугера – Ламберта
Iф = Io(1 - R)еxр(-х), (3.4)
а коэффициент поглощения будет
()
=
. (3.5)
С учетом пропускания (3.2) коэффициент поглощения может быть записан как
()
=
. (3.6)
Спектральные зависимости R() и () от длины волны , от частоты или энергии кванта h падающего света называют соответственно спектрами отражения или спектрами поглощения света для данного полупроводника.
Коэффициенты отражения и поглощения света связаны между собой соотношением
(3.7)
где
-
показатель преломления света,
-
показатель поглощения или коэффициент
экстинкции.
Оба эти показателя входят в комплексный показатель преломления света
(3.8)
Поскольку () и () связаны между собой:
() = 2 /с = 4 /с = 4 /, (3.9)
то выражение (3.7) непосредственно связывает коэффициенты поглощения и отражения.
Спектры отражения, пропускания, поглощения являются важными характеристиками оптических свойств твердых тел, так как позволяют объяснить механизмы взаимодействия световой волны со средой, в частности, механизмы поглощения световой энергии.
При поглощении световой энергии происходят переходы между разрешенными зонами в твердом теле. Энергетический спектр энергии электронов в твердых телах представляет собой зависимость энергии электронов от волнового вектора k = 2/. Переходы электронов из одного разрешенного состояния в зоне в другое без изменения волнового вектора называются прямыми, переходы с изменением волнового вектора - непрямыми, соответственно поглощение энергии, затраченной на прямые переходы носит название прямого собственного поглощения. Аналогично можно обозначить непрямое собственное поглощение. При непрямом собственном поглощении в соответствие с соблюдением законов сохранения энергии и импульса участвуют фононы – кванты энергии колебаний решетки твердого тела. Спектральная зависимость межзонного перехода при собственном поглощении имеет ниспадающий характер, что позволяет определять ширину запрещенной зоны из условия, что собственное поглощение невозможно при энергии квантов < E, где E - ширина запрещенной зоны. Спектральный спад коэффициента поглощения в области частот < E/ называется краем собственного поглощения. Спектры поглощения кремния и германия приведены на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Спектры поглощения излучения кремния (а) и германия.