28.4 Основные гальваномагнитные эффекты. Эффект Холла. Технология изготовления датчиков Холла
Среди большого числа физических эффектов, нашедших техническое применение, ГЭ занимают особое положение. Широкого практического применения после получения полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей зарядов, ГЭ стали успешно использоваться для создания новых технических средств.
Наибольшее техническое применение получили следующие гальваномагнитные явления: эффект Холла, эффект магнитосопротивления (называемый также эффектом Гаусса), магнитодиодный эффект. ГЭ возникают под действием поперечного магнитного поля при протекании через обраэлектрического тока. В то же время для термомагнитных эффектов, сопутствующих гальваномагнитным, первичными являются тепловой поток и нормальное к нему магнитное поле. Классификация гальвано– и термомагнитных эффектов :
Эффекты |
Поперечный |
Продольный |
Гальваномагнитные |
Эффект Холла (поперечная разность потенциалов) Эффект Эттингсгаузена (поперечная разность температур) |
Эффект Гаусса (изменение удельного сопротивления в магнитном поле) Эффект Нернста (продольная разность температур) |
Термомагнитные |
Эффект Риги–Ледюка (поперечная разность температур) Эффект Нернста–Эттин-гсгаузена (поперечная разность потенциалов) |
Эффект Маджи–Риги–Ледюка (изменение теплопроводности в магнитном поле) Продольный эффект Нернста–Эттингсгаузена (продольная разность температур) |
Величина продольных эффектов (кроме эффекта Гаусса) по сравнению с напряжением питания пренебрежимо мала. Поэтому кратко рассмотрим лишь поперечные эффекты, сопровождающие эффект Холла. Эффект Эттингсгаузена заключается в появлении поперечной разности температур под влиянием протекающего через образец тока и перпендикулярного к нему магнитного поля. В результате эффекта Эттингсгаузена в холловской пластине возникает термо–ЭДС, которая прибавляется к напряжению Холла. Поперечный эффект Нернста – Эттингсгаузена заключается в появлении поперечного напряжения в пластине под влиянием магнитного поля и теплового потока. Знак напряжения Нернста – Эттингсгаузена зависит от направления магнитного поля и не зависит от направления тока. Эффект Риги–Ледюка заключается в появлении поперечного градиента температуры в полупроводниковой пластине, в которой имеется продольный градиент температуры, при воздействии магнитного поля. В результате этого эффекта на потенциальных электродах датчика Холла (ДХ) появляется термо–ЭДС. Ее знак положительный для полупроводника р-типа и отрицательный для полупроводника n-типа. Эффект Холла: Сущность эффекта Холла состоит в том, что при прохождении тока через пластину в продольном направлении под влиянием магнитного поля возникает на краях пластинки в поперечном направлении разность потенциалов, обусловленная законом Лоренца (под влиянием магнитного поля токоносители смещаются к краю пластины). Эта разность потенциалов (ЭДС) пропорциональна величине векторного произведения напряженности поля и тока H·I.
Эквипотенциальные линии в пластине Холла при появлении магнитного поля поворачиваются на некоторый угол , называемый углом Холла, тангенс которого определяется выражением tg=*B
При определении тангенса угла Холла следует иметь в виду, что подвижность носителей (как электронов, так и дырок) падает с ростом магнитной индукции .
постоянная Холла:
Н
аиболее
распространенной формой датчика Холла
(ДХ) является плоская пластина с двумя
парами электродов. Схема включения ДХ
показана на рис. 3.11. Через электроды 1–2
протекает ток I. Эти электроды называются
токовыми. Обычно они выполняются по
всей ширине поперечных граней, что
обеспечивает равномерное распределение
входного тока по сечению преобразователя.
С холловских (потенциальных) электродов 3–4 снимается напряжение Холла. Обычно электроды 3–4 располагаются в центральной части продольных граней. ДХ широко используются для измерения индукции магнитных полей.
Материал для изготовления ДХ: полупроводниковый материал, предназначенный для изготовления ДХ, должен обладать не только высокими, но и по возможности мало зависящими от температуры значениями постоянной Холла и подвижности носителей тока. Выбор полупроводникового материала для ДХ диктуется областью его применения.
Кристаллические датчики обычно изготавливают из германия, кремния, полупроводниковых соединений элементов третей и пятой групп периодической системы Менделеева – антимонида индия, арсенида индия, арсенида галлия, а также твердого раствора – тройного соединения In(As0,8P0,2).
Как правило, используются полупроводники с электронной проводимостью, поскольку они имеют значительно бóльшую подвижность носителей заряда, чем полупроводники с дырочной проводимостью. Необходимо подчеркнуть, что свойства каждого из указанных полупроводниковых материалов могут существенно изменяться в зависимости от рода и количества примесей, вводимых в них.
Одним из самых первых материалов, который был использован при изготовлении ДХ, предназначенных для технического применения, был германий. В качестве примеси для легирования германия чаще всего используется сурьма, хотя для получения германия с электронной проводимостью могут быть применены также мышьяк и фосфор. При этом в зависимости от количества примеси удается в довольно широких пределах изменять параметры, характеризующие материал с точки зрения использования его для изготовления ДХ
Антимонид индия является полупроводниковым соединением, обладающим наиболее высокой подвижностью по сравнению с другими материалами. Он хорошо поддается механической обработке, хотя и является хрупким и поэтому требует осторожного обращения. В качестве легирующих присадок для получения электронной проводимости используются теллур и селен. Основные параметры по ДХ из антимонида индия представлены в табл.
Арсенид индия является весьма распространенным для изготовления ДХ материалом, поскольку наряду с высокой подвижностью электронов он обладает хорошими температурными характеристиками
Наиболее перспективным полупроводниковым материалом для изготовления ДХ является арсенид галлия., который сохраняет работоспособность при более высоких температурах, По сравнению с кремнием в арсениде галлия при комнатной температуре подвижность электронов в 3–4 раза выше. Кроме того, в этом материале достаточно высокое значение постоянной Холла, что обусловливает хорошую чувствительность датчиков из GaAs. К важным достоинствам ДХ из GaAs относится также высокая линейность выходного сигнала по магнитной индукции (нелинейность не более 1–1,5 %).
Технология изготовления датчиков Холла
При получении полупроводниковых пластин для ДХ в настоящее время используются следующие технологии:
1. Выпиливание кристаллической пластины Холла требуемой конфигурации из монокристаллического бруска. В этом случае типовой технологический процесс состоит из следующих операций:
1) вырезка пластины. Обычно пластины вырезаются на станках с вращающимся абразивным кругом, которым режут при помощи карборундового или алмазного порошка.
2) обработка поверхности пластин состоит из двух этапов. Первый –это механическая шлифовка и полирование, цель которых – устранение дефектов, возникших при резке пластин, и одновременно доводка толщины пластин до заданной величины. Вторым этапом обработки поверхности является химическое травление для окончательной очистки поверхности пластин;
3) изготовление контактов к пластине. Применяют либо непосредственное приваривание проводов к пластине при помощи пропускания импульса тока, либо вплавливание постоянных контактов в пластину в форме капель или слоев, к которым впоследствии припаиваются гибкие провода.
4) герметизация. Чаще всего полупроводниковая пластина заливается синтетической смолой.
2. Получение пластин Холла путем напыления на подложку тонких слоев полупроводниковых материалов. Такая технология позволяет получить за один цикл напыления большое число преобразователей, причем размеры активной области могут быть сделаны порядка десятых долей миллиметра. Толщина активного слоя может быть очень малой (до 1 мкм), что обусловливает высокую чувствительность. При формировании микроминиатюрных структур пленочных приборов с применением фотолитографии требуется хорошая адгезия пленок к подложке, иначе они отслаиваются