3.6 Физические основы магниторезистивных измерительных преобразователей

.

Данный эффект был предсказан Гауссом, экспериментально исследован Томсоном (лордом Кельвином) в 1856 году и является результатом действия силы Лоренца на носители зарядов в проводниках и полупроводниках.

В магниторезистивных устройствах эффектом Холла можно пренебречь.

Суть эффекта заключается в изменении удельного сопротивления проводника или полупроводника при внесении его в магнитное поле:

.

Эффект обусловлен появлением дополнительной составляющей полного сопротивления резистора за счет повышения частоты столкновений свободных зарядов с атомной решёткой материала в результате возмущения траектории движения электронов под действием магнитного поля.

Например, в конструкции, представленной на рисунке, магнитное поле вызывает отклонение линий тока.

Рис. 3.7 Механизм генерации разностного сигнала в результате магниторезистивного эффекта.

При этом возрастает ток через один из выходных дифференциальных электродов и убывает через другой. Значение сопротивления такого устройства определяется соотношением:

, (3.14)

где угол Лоренца, соответствующий отклонению линий тока в образце.

Можно показать, что

, (3.15)

- эффективная подвижность носителей.

Степень проявления эффекта зависит от типа материала, количества примесей и наличия дефектов в структуре материала. С повышением температуры чувствительность преобразователя снижается. Для полупроводников эффект достигает максимального уровня при определенном соотношении концентраций электронов и дырок в веществе.

В упрощенном виде магниторезистивный эффект может быть описан функциональной зависимостью вида:

, (3.16)

где В – магнитная индукция;

- подвижность электронов;

n – показатель нелинейности функциональной зависимости;

С – конструктивный параметр.

Рис. 3.8 Зависимость относительного изменения удельного сопротивления полупроводника от индукции магнитного поля при разных темепературах. <<

С целью повышения чувствительности применяют подмагничивание магниторезисторов постоянным магнитным полем для того, чтобы использовать крутой участок их рабочей характеристики. Максимальное изменение сопротивления может достигать 3%. Уровень нелинейности преобразователя зависит от значения напряженности магнитного поля в материале.

В слабых полях: < 1, n ≈ 2,

в сильных полях: > 1, n ≈ 1.

В настоящее время для создания магниторезисторов используют материалы, проявляющие так называемый гигантский магниторезистивный эффект, открытый Бэйбичем в 1988 году. Суть его заключается в зависимости степени рассеяния электронов от напряженности магнитного поля в очень тонких слоистых структурах.

Изготавливают такие структуры из периодических слоев Fe-Cr, Cu-Co толщиной около 10 атомов (1 нм, т.е. это уже относится к нанотехнологиям). Изменение сопротивления в таких устройствах достигает 15%, а диапазон рабочих частот простирается от постоянного тока до МГц.

Магиторезистивный эффект используется в устройствах считывания информации с магнитных носителей, для анализа магнитных свойств, структуры, состава веществ и т.п.

На основе полупроводниковых материалов создают также магнитодиоды, магнитотранзисторы представляющие собой длинные тонкие p-n-структуры.

Рис. 3.9 Устройство и принцип работы магнитотранзистора.

Носители зарядов в таких устройствах дрейфуют в электрическом поле вдоль горизонтальной оси. Присутствие магнитного поля (В), ортогонального (Е), приводит к собиранию носителей заряда на верхней или нижней поверхности в зависимости от направления магнитной индукции.

Этот эффект, открытый Зулем в 1949 году и называемый магнитоконцентрацией (комбинация эффекта Холла и магниторезистивного эффекта), приводит к образованию градиента концентрации носителей поперек пластины. Темп рекомбинации на двух сторонах пластины различен, что достигается полировкой одной стороны и грубым шлифованием другой. Общий эффект заключается в достижении диодной вольтамперной характеристики, модифицированной магнитным полем.

Эффект не является линейным и чувствителен к изменению температуры. В устройствах, изготовленных по технологии КМОП, достигнута чувствительность в 25 В/мА∙Тл при токе смещения 5 мА.

В магнитотранзисторах с физической структурой, созданной таким образом, коллекторный ток чувствителен к приложенному магнитному полю. Первоначально устройство представляло собой горизонтальную структуру с двумя электродами и дрейфовым сбором заряда. Структура является p-n-p транзистором.

Рис. 3.10 Устройство и принцип работы дифференциального магнитотранзистора.

Основным процессом здесь является отклонение носителей заряда. В базе протекает ток между двумя контактами, напоминающими преобразователь Холла. Образующееся холловское поле отклоняет носители тока так, что через два коллектора протекает разный ток. Разница в коллекторных токах () определяется выражением:

, (3.17)

где: - геометрический фактор,

- подвижность носителей заряда,

- ток эмиттера.

Разработаны разнообразные варианты конструктивного исполнения магнитотранзисторов. В некоторых устройствах ток течет вертикально к поверхности, при этом измеряется магнитное поле в плоскости структуры. Для изготовления таких преобразователей используют также и КМОП-технологию (магнитные полевые МОП-транзисторы).

Несмотря на более высокую чувствительность, магнитотранзисторы не конкурентноспособны по сравнению с недорогими и простыми датчиками Холла. Они характеризуются более высоким уровнем шумов, нелинейностью, температурной зависимостью и большим значением тока разбаланса, определяемого производственными неточностями изготовления.