1.6.2. Магнитополупроводниковые приборы

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.

Эффект магнитосопротивления - возрастание сопротивления полупроводника в магнитном поле.

Эффект Суля - отклонение линий тока инжектированных носителей заряда магнитным полем к одной из граней полупроводника.

Эффект гальваномагниторекомбинационный - изменение концентрации носителей заряда при прохождении тока в поперечном магнитном поле в полупроводнике со смешанной проводимостью при изменении поверхностной рекомбинации.

Эффект магнитодиодный. Магнитное поле приводит к закручиванию движущихся электронов и дырок. Их подвижность уменьшается, следовательно, уменьшается и длина диффузионного смещения. Одновременно удлиняются линии тока, т.е. эффективная толщина базы. Магнитное поле влияет не только на подвижность направление линий тока, но и на время жизни носителей. Переделенные явления приводят к сильному изменению неравновесный проводимости диода. В магнитном поле малое начальное вменение длины диффузионного смещения и эффективной толщины базы приводит к сильному изменению сопротивления базы соответственно прямого тока вследствие резкого изменения концентрации неравновесных носителей заряда. Это и есть магнитодиодный эффект.

Известны и другие гальваномагнитные явления, но они еще не получили широкого практического применения.

Большой практический интерес представляет магнитодиодный эффект, проявляющийся при инжекции носителей из p-n-перехода при пропускании прямого тока в диодах с длинной базой, когда длина свободного пробега инжектированных в область базы неравновесных носителей заряда до момента их рекомбинации (длина диффузионного смещения неравновесных носителей заряда) значительно меньше той длины пути, который они должны пройти от инжектирующего p-n-перехода до второго (выходного) омического контакта (путь, равный длине базы диода). В этом случае фактически все инжектированные в область базы неравновесные носители заряда рекомбинируют на своем пути до омического контакта. Для краткости такие диоды на практике называют «длинными» диодами.

При высоких уровнях инжекции прямую ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ) резкого несимметричного диода с омическим вторым контактом можно аппроксимировать соотношением

, (1.6.7)

где q - заряд электрона; - напряжение, приложенное к диоду; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; - коэффициент, учитывающий специфику p-n-перехода; - отношение подвижностей электронов и дырок; d - длина базы; - эффективная длина диффузионного смещения; l - длина диффузионного смещения.

В обычных диодах и

(1.6.8)

где - собственная концентрация носителей.

В этом случае, как видно из (1.6.8) прямой ток диода не зависит от L. В «длинных» диодах, т.е. в диодах с большим расстоянием между p-n-переходом и неактивным контактом. . Тогда

, (1.6.9)

где - удельное сопротивление исходного полупроводника. В этом случае , т.е. сильно зависит от L. Следовательно, согласно (1.6.9) любое незначительное изменение длины диффузионного смещения приведет к очень большому изменению прямого тока.

В «длинных» диодах ( ) распределение носителей, а следовательно, сопротивление базы определяется длиной диффузионного смещения неравновесных носителей заряда. Уменьшение L приводит к понижению концентрации неравновесных носителей в базе, т.е. повышению ее сопротивления. Это вызывает, в свою очередь, увеличение падения напряжения на базе и, соответственно, его уменьшение на p-n-переходе (при условии постоянства приложенного напряжения). Уменьшение падения напряжения на p-n-переходе вызывает снижение инжекционного тока и, следова­тельно, дополнительное повышение сопротивления базы, а также новое уменьшение напряжения на p-n-переходе и т.д.

Таким образом, при , небольшое уменьшение длины диффузионного смещения вызывает очень сильное снижение проводимости базы диода. Следовательно, воздействуя внешними факторами на длину диффузионного смещения, можно управлять проводимостью базы диода. Так как , то изменение L может быть вызвано воздействием либо на эффектив­ное время жизни носителей , либо на отношение подвижностей электронов и дырок .

Длину диффузионного смещения носителей, наряду с другими методами, можно изменять и воздействием магнитного поля. Поскольку при высоких уровнях инжекции концентрации электронов и дырок примерно одинаковы, то ЭДС Холла практически равна нулю. При этом инжектированные из p-n-перехода носители будут двигаться под некоторым углом к направлению внешнего электрического поля. Этот угол называется углом Холла.

Магнитодиодный эффект может наблюдаться в любой полупро­водниковой структуре, в которой создана положительная или отрицательная неравновесная проводимость. Проводимость считается положительной в том случае, когда концентрация носителей выше равновесной, отрицательной - когда она ниже равновесной. Отрицательная проводимость реализуется, например, при щи носителей p-n-переходом, на который подано обратное напряжение, или -переходом, т.е. переходом, образованным на границе полупроводника с различной концентрацией однотипных носителей (в данном случае электронов).

На основе магнитодиодного эффекта был предложен новый гальваномагнитный прибор - магнитодиод. Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n-переходом и невыпрямляющим контактом (омическим или антизапирающим), между которыми находится область высокоомного полупроводника (рис 1.6.7, а). Отличие от обычных полупроводниковых диодов состоит только в том, что магнитодиод изготовляется из высокоомного полупроводника с проводимостью, близкой к собственной, и базы d в несколько раз больше длины диффузионного смещения носителей L, в то время как в обычных диодах . В «длинных» диодах при прохождении электрического тока определяющими становятся процессы, зависящие от рекомбинации и Бенин неравновесных носителей в базе и на поверхности.

В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжения происходит на p-n-переходе, как в диоде, а на высокоомной базе. Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле, то произойдет увеличение сопротивления базы. Сопротивление базы увеличивается и за счет повышения роли поверхностной рекомбинации отклоняющихся к поверхности полупроводника носителей заряда. Эквивалентную схему магнитодиода можно представить в виде магниторезистора с последовательно включенным усилителем. Типичная ВАХ магнитодиода приведена на рис 1.6.7, б.

Рис. 1.6.7. Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) магнитодиода

Свойства магнитодиодов характеризуются вольтовой и токовой магниточувствительностями.

Вольтовая магниточувствительность определяется изменением напряжения на магнитодиоде при изменении магнитного поля В на 1 мТл и постоянном значении тока через магнитодиод:

,

где - напряжение на магнитодиоде при ; - напряжение на магнитодиоде при ; - усредненный путь, проходимый носителями за время жизни в направлении внешнего электрического поля; - коэффициент неравновесности при высоких уровнях инжекции.

Токовая магниточувствительность определяется изменением тока через магнитодиод при изменении магнитного поля на 1 мТл и постоянном напряжении на магнитодиоде:

,

где и - токи магнитодиода, при и соответственно.

Обычно при больших скоростях поверхностной рекомбинации наблюдается зависимость времени жизни носителей от магнитного поля. Если скорость поверхностной рекомбинации на двух гранях одинакова, то время жизни носителей с увеличением магнитного поля уменьшается. Если на одной грани скорость поверхностной рекомбинации больше, чем на другой, то при отклонении носителей к первой наблюдается уменьшение, а ко второй — увеличение времени жизни. В соответствии с этим изменяется и длина диффузионного смещения носителей. Если изменение эффективного времени их жизни достаточно велико, то оно может превысить влияние изменения подвижности и искривления линий тока и будет определять магниточувствительность магнитодиода.

Магнитотранзисторы находят в последнее время широкое применение в качестве преобразователей, чувствительных к магнитному полю. Рассмотрим вначале работу биполярного магнитотранзистора.

В «тонких» (обычных) транзисторах, которые чаще используются длина базы d намного меньше длины диффузионного смещения носителей ( ). В этих транзисторах незначительные изменения коэффициента усиления по току эмиттера могут вызвать очень большие изменения тока коллектора. Так как в этих транзисторах коэффициент усиления связан квадратичной зависимостью с длиной диффузионного смещения , то любые воздействия на нее будут приводить к значительному изменению тока. Таким образом, на основе транзисторов возможно создание таких же приборов, основанных на управлении длиной диффузионного смещения, как и на «длинных» диодах. Роль сопротивления базы в них играет сопротивление коллекторного p-n-перехода, включенного в обратном направлении.

В транзисторах с «длинной» базой ( ) коэффициент усиления значительно меньше единицы и связан экспоненциальной зависимостью с длиной диффузионного смещения следующим выражением: . В этих транзисторах также возможно тление током путем воздействия на длину диффузионного смещения. Таким образом, на основе транзисторных структур могут быть созданы приборы с высокой чувствительностью к изменениям длины диффузионного смещения и, следовательно, обладающие высокой чувствительностью к магнитному полю. Возможно создание как «тонких», так и «длинных» магнитотранзисторов.

«Тонкие» магнитотранзисторы обладают высокой магниточувствительностью только при и при условии, что отличие коэффициента переноса от единицы связано с рекомбинационными процессами. При этом коэффициент инжекции близок к единице.

Вольтовая магниточувствительность «тонких» магнитотранзисторов будет большой при достаточно больших рабочих напряжениях, а токовая - при любых напряжениях. В этом отношении перспективными могут оказаться планарные транзисторы с высокими значениями коэффициента усиления.

В «длинных» магнитотранзисторах на коэффициент усиления сильно влияет поперечное магнитное поле вследствие уменьшения эффективной длины диффузионного смещения. Она уменьшается как из-за искривления линий тока, так и в результате уменьшения подвижности носителей. Продольное магнитное поле также оказывает сильное влияние - увеличивается эффективная длина диффузионного смещения, так как под воздействием сильных магнитных полей практически все инжектированные из эмиттера неравновесные носители движутся по кратчайшему пути к коллектору параллельно оси транзистора. Их рекомбинация заметно снижается, а коэффициент усиления транзистора возрастает.

Дальнейшее развитие идеи увеличения магниточувствительности биполярных «торцевых» транзисторов реализовано в двухколлекторном магнитотранзисторе (ДМТ) с «горизонтальными» коллекторами. ДМТ представляет собой обычный биполярный p-n-p-транзистор, коллектор, в котором разделен на две части (рис. 1.6.8, а). Принцип его действия заключается в следующем. При включении ДМТ по схеме с общим эмиттером и нагрузочными резисторами в цепях коллекторов (мостовая схема) в отсутствие штатного поля инжектированные эмиттером носители заряда (дырки) распределяются между коллекторами примерно поровну. Токи обоих коллекторов равны и напряжение между ними отсутствует. В поперечном магнитном поле происходит перераспределение инжектированных носителей заряда между коллекторами; при этом ток коллектора К2 увеличивается, а ток коллектора K1 уменьшается, что вызывает разбаланс моста. Это приводит к из­менению напряжения между коллекторами. При этом с ростом магнитного поля оно увеличивается. При изменении направления магнитного поля ( ) ток коллектора К2 уменьшается, а ток коллектора K1 увеличивается и соответственно изменяется знак напряжения U между коллекторами.

Рис. 1.6.8. Структуры двухколлекторных магнитотранзисторов с горизонтальными (а) и («торцевыми») (б) коллекторами

Наряду с указанным перераспределением инжектированных носителей заряда между коллекторами происходит также изменение эффективной толщины базы. При этом в рассмотренной конструкции в магнитном поле происходит уменьшение эффективной толщины базы левой части транзистора и соответственно увеличение правой части, т.е. ток коллектора K1 увеличивается, а ток K2 уменьшается. Этот эффект противоположен эффекту перераспределения носителей заряда и приводит к уменьшению магниточувствительности ДМТ.

Этот недостаток устранен в ДМТ с «вертикальными» коллекторами, в котором омические контакты к базе и эмиттеру расположены по разные стороны от коллекторов (рис. 1.6.8, б). Магнитное поле, наряду с эффектом перераспределения носителей между коллекторами, уменьшает эффективную толщину базы, если ток коллектора K2 увеличивается, и соответственно увеличивает толщину базы для коллектора K1. Таким образом, изменение эффективной толщины базы дополнительно увеличивает ток коллектора К2, а также уменьшает ток коллектора K1. Это приводит к дополнительному росту магниточувствительности ДМТ.

Рис. 1.6.9. Структура (а) и статические выходные характеристики (б) «торцевого» двухколлекторного магнитотранзистора

На 1.6.9. приведены выходные характеристики ДМТ, изготовленного из германия n-типа с , и размерами . Вольтамперные характеристики коллекторов подобны характеристикам обычного биполярного транзистора. Вследствие некоторого различия коллекторных p-n-переходов (по площади и токам утечки) их токи в отсутствие магнитного поля несколько различаются. С приложением магнитного поля ток одного коллектора увеличивается, а другого уменьшается. Напряжение между коллектора с ростом магнитного поля растет и Тл достигает насыщения. Максимальная магниточувствительность и линейность характеристики наблюдаются в области малых магнитных полей. Магниточувствительность достигает значений при Тл. Она на три порядка больше магниточувствительности датчиков Холла. С понижением температуры наблюдается рост магниточувствительности.

В качестве преобразователей, чувствительных к магнитному полю применяют также и полевые транзисторы.

Полевой гальваномагниторекомбинационный (ПГМР) магнитотранзистор состоит из полупроводниковой пластины 1, проводимость которой близка к собственной (рис. 1.6.10, а) и одного-двух металлических полевых электродов 4 для подвода управляющего напряжения, изолированных слоями диэлектрика 3. На торцах пластины расположены токовые электроды 2 и 5. Магнитотранзистор ПГМР имеет МДП-структуру. Существует и другая структура магнитотранзистора: металл – диэлектрик - полупроводник - диэлектрик - металл (МДПДМ) (рис 1.6.10, б), в которой управляющее напряжение подводится к обоим полевым электродам.

В основе действия ПГМР магнитотранзистора с МДП-структурой лежит изменение средней концентрации носителей заряда в полупроводнике при воздействии магнитного поля, продольного и поперечного электрических полей.

Рис. 1.6.10. Полевой гальваномагниторекомбинационный магнитотранзистор со структурами МДП (а) и МДПДМ (б) и схемы включения для МДП (в) и МДПДМ (г) соответственно

Если ПГМР магнитотранзистор поместить в магнитное поле так, чтобы магнитные силовые линии были перпендикулярны продольной составляющей электрического тока, и приложить к электродам управляющее напряжение, то произойдет перераспределение концентрации носителей заряда по сечению пластины в направлении действия сил Лоренца. При этом в зависимости от разности скоростей поверхностной рекомбинации на гранях пластины, где расположены полевые электроды, и на­правления сил Лоренца происходит уменьшение или увеличение концентрации носителей по сравнению с равновесной. Это приво­дит к возрастанию или уменьшению сопротивления ПГМР магни­тотранзистора. В табл. 1.6.1 приведены основные характеристики ПГМР магнитотранзисторов на основе германия.

На рис. 1.6.11 приведены зависимости выходного напряжения ПГМР магнитотранзисторов от тока и магнитной индукции. Эти магнитотранзисторы обладают линейной характеристикой передачи.

Табл.3

Основные характеристики магнитотранзисторов

Тип ПГМР	Структура	Выходное сопротивление, кОм	Номинальный ток, мА	Максимальная магниточувствительность, В/Тл	Максимальная вольтовая магниточувствительность, В/Тл	Диапазон индукции, Тл
МТ-1	МДП	120	0,8		70
МТ-2	МДП	60	1,1		70
МТ-3	МДПДМ	120	0,8		100
МТ-4	МДПДМ	60	1,1		100

Примечание. Диапазон температур 220…330 К. Температурный коэффициент магниточувствительности . Коэффициент нелинейности характеристики передачи .

Использование ПГМР магнитотранзисторов особенно эффективно при построении измерителей магнитных величин с автоматической коррекцией погрешностей или аналого-цифровым преобразованием входной магнитной величины, различных магнитных и электрических регуляторов устройств автоматики и управления с переменной или адаптируемой структурой.

Магнитотиристоры. Любой тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из транзисторов, поэтому магниточувствительные свойства тиристоров характеризуются магниточувствительными свойствами составляющих транзисторов.

Рис. 1.6.11. Зависимости выходного напряжения ПГМР магнитотранзисторов со структурой МДП (1) и МДПДМ (2) от тока питания при мТл (а) и от магнитной индукции при мА (б)

Напряжение включения тиристора выражается через коэффициенты передачи тока базы и двух транзисторов:

где - напряжение лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода; - ток включения; - ток управления; с = 2…6. Выпускаемые в настоящее время тиристоры изготовляются в основном методом двойной диффузии. Длина базы n-p-n-транзистора в структуре достаточно тонкая, и в поперечном магнитном поле практически не изменяется.

Длина базы второго p-n-p-транзистора порядка , поэтому в магнитном поле изменяется значительно сильнее . Площадь коллектора обычно велика, и эффекта отклонения инжектирован­ных носителей заряда от коллектора не наблюдается. Поэтому изменение , определяемое только изменением эффективной длины базы, небольшое. В таких тиристорах относительно слабо зависит от магнитного поля. Для увеличения магниточувствительности необходимо обеспечить более сильную зависи­мость от индукции магнитного поля. Этого можно достичь использованием эффекта отклонения инжектированных носителей заряда от коллектора. Наиболее удобной конструкцией, обеспечи­вающей эти условия, является обычный пленарный тиристор, на поверхности «длинной» базы которого имеется S-область с по­вышенной скоростью рекомбинации неосновных носителей заряда (рис. 1.6.12, а). При инжекции дырок из анода А в n-базу магнитное поле направления отклоняет их в глубь базы, что уменьшает рекомбинацию и увеличивает составляющего p-n-p-транзистора. Это приводит к уменьшению . При противоположном направлении ( ) магнитного поля соответственно увеличивается.

Рис. 1.6.12. Конструкции одиночных (а, б) и сдвоенного (в) магнитотиристоров: А - анод; К - катод; У - управляющий электрод

Недостатком описанной конструкции является трудность получения области с воспроизводимой скоростью поверхностной рекомбинации. Лучшей стабильностью и воспроизводимостью обладает конструкция, показанная на рис. 1.6.12, б. Здесь управляющий электрод У базы одновременно является областью, в которой рекомбинируют инжектированные из анода дырки. В этом случае при направлении магнитного поля уменьшается, следовательно увеличивается. При противоположном направлении магнитного поля увеличивается, а уменьшается.

Обычно управляющий электрод тиристора работает в режиме генерации тока. При включении управляющего электрода в режиме генерации напряжения можно дополнительно повысить магниточувствительность. Поперечное магнитное поле приводит к искривлению траекторий движения инжектированных дырок и увеличению сопротивления диода А - У (магнитодиодный эффект). Следовательно, управляющий ток снижается, что приводит к уменьшению (направление ) и увеличению . При обратном направлении магнитного поля ( ) изменения управляющего тока и противоположны, и магниточувствительность меньше, чем при направлении (рис. 1.6.13). Напряжение включения тиристора при малых магнитных полях изменяется почти линейно при обоих направлениях магнитного поля.

Рис. 1.6.13. Влияние магнитного поля на ВАХ магнитотиристора с управляющим электродом к «длинной» базе при

На рис. 1.6.12, в приведена конструкция сдвоенного магнитотиристора, представляющего собой два тиристора с общими диодом и базой. Если внешнее напряжение меньше тиристоров в отсутствие магнитного поля, то оба тиристора выключены. В магнитном поле инжектированные анодом А дырки отклоняются к коллектору К1, левого тиристора уменьшается, и он включается. От анода к катоду К1 начинает поступать ток.

При противоположном направлении магнитного поля ( ) дырки отклоняются к правому коллектору К2. При этом левый тиристор выключается, а правый включается, и ток течет от анода к катоду К2. Описанные выше магнитотиристоры изготовляются по обычной планарной технологии на кремнии n-типа с удельным противлением 100…200 и имеют размеры мм.