Основные параметры полупроводниковых материалов, используемых

при изготовлении чувствительного элемента датчика Холла

Материал	Плотность, г/см2	Постоянная Холла, м3/ас	Подвижность электронов м2/вс	Удельное сопротивление, Омм	Усредненный температурный коэффициент постоянной Холла, %/град	Усредненный температурный коэффициент сопротивления %/град
Ge	5,32	710-4- 110-2	0,36	1,810-5-2,810-2	-0,02- -0,3	0,5
Si	2,33	10-2-102	0,13	0,08-80	-	-
InSb	5,77	3,810-4- 110-5	7,8-4,0	510-5- 210-6	-1,5-0,01	-1,2-0,01
InAs	5,66	10-4	2,4	410-5	-0,07	0,24
In(As0,8P0,2)	-	10-4	1,0	10-4	-0,04	0,22
GaAs	5,32	10-3-10-4	0,4	(2,5-25) 10-4	-	-

Таблица 3.3

Основные физические свойства некоторых материалов,

используемых для изготовления датчиков Холла

Материал	Температура плавления,С	Теплоемкость, Дж/кгград	Коэффициент линейного расширения, град-1	Ширина запрещенной зоны, эВ
Ge	936	310	6,110-6	0,67
Si	1420	758	2,310-6	1,07
InSb	523	-	5,510-6	0,17
InAs	940	398	5,310-6	0,35

Отличительной чертой кремния как материала для изготовления ДХ является возможность получения больших значений постоянной Холла. Поэтому у кремниевых ДХ высокая магнитная чувствительность. Свойства кремния также определяются степенью легирования примесями. Допускаемая температура нагрева кремниевого ДХ значительно больше, чем для датчиков из Ge, InAs, InSb.

Главными недостатками кремниевых датчиков являются:

1. Высокое значение и плохая стабильность остаточного напряжения (неэквипотенциальности);

2. Высокое выходное сопротивление, что лимитирует снимаемую с датчиков мощность;

3. Технологические сложности при получении качественных контактов к кремниевой пластине.

Особенностью ДХ, изготовленных из кремния, является их устойчивость к ядерному излучению.

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. 3.4

Таблица 3.4

Параметры датчиков Холла из антимонида индия

Концентрация носителей тока, см-3	Подвижность носителей тока, м2/(В·с)	Удельное сопротивление, Ом·м	Чувствительность к индукции, мкВ/Гс	Коэффициент ЭДС Холла, %/С	Температурный коэффициент сопротивления, мкВ/С	Дрейф резистивного остаточного напряжения, мкВ/С	Коэффициент нелинейности, мкВ/С	Диапазон рабочих температур, С
1·1016	 10	4·10-3	180-220	-0,90	-0,85	10-15	10,0	0-100
До10	 8	2·10-3	140-170	-0,70	-0,50	5-10	6,5	-196… +100
5·1016	 7	1·10-3	70-80	-0,50	-0,25	3-5	5,0	-196… +100
1·1017	 6	8·10-4	45-50	-0,30	-0,10	3-5	-	-196… +100
2·1017	 6	6·10-4	35-45	-0,20	-0,03	3-5	2,5	-196… +100
3·1017	 5	4·10-4	30-40	-0,15	+0,05	3-5	-	-196… +100
4·1017	 5	4·10-4	25-30	-0,10	+0,06	3-5	-	-196… +100
(5-5,5) ·1017	 4	3,5· 10-4	15-20	-0,015	+0,06	0-3	-	-196… +100
(6,5-7,5) ·1017	 3	3·10-4	10-15	-0,010	+0,09	0-3	0,5	-270… +100
8,5·1017	 2	2·10-4	7-10	-0,010	+0,09	0-3	-	-270… +100
1·1018	 1,5	7·10-5	3-5	-0,010	+0,10	0-3	-	-270… +100
2,5·1018	 1,2	5·10-5	1,5-2	-0,010	+0,10	0-3	-	-270… +100

Постоянная Холла и удельное сопротивление антимонида индия сильно зависят от температуры (рис. 3.6, 3.7). Кроме того, вследствие высокой подвижности носителей сопротивление пластинок антимонида индия быстро возрастает при увеличении магнитной индукции, что ведет к ухудшению линейности характеристик датчика. Вместе с тем в устройствах, где от датчика требуется высокая чувствительность при малых значениях индукции, датчики из антимонида индия являются незаменимыми.

Арсенид индия является весьма распространенным для изготовления ДХ материалом, поскольку наряду с высокой подвижностью электронов он обладает хорошими температурными характеристиками (рис. 3.8, 3.9).

Зависимость удельного сопротивления арсенида индия от магнитной индукции хотя и заметно меньше, чем у антимонида индия, но все же приводит к ощутимому нарушению линейности характеристик датчика.

Если в кристалле арсенида индия заместить часть атомов мышьяка фосфором (в частности, 80 % As и 20 % Р), то получается твердый раствор, у которого подвижность падает до 1,0 м²/(В·сек). Однако линейность характеристик датчика из тройного соединения In(As_0,8P_0,2) значительно лучше. Именно поэтому для высокоточных измерений магнитных полей используется тройное соединение In(As_0,8P_0,2).

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. На основе GaAs возможно создание ДХ, длительно работающих при температуре до 250 С и кратковременно работающих при температуре до 300 С. К важным достоинствам ДХ из GaAs относится также высокая линейность выходного сигнала по магнитной индукции (нелинейность не более 1–1,5 %).

Параметры ДХ из GaAs приведены в табл. 3.5

Таблица 3.5

Датчики Холла из арсенида галлия

Тип датчика	Удельная чувствительность, В/А·Тл	Коэффициент		Входное (выходное) сопротивление, Ом	Температурный коэффициент чувствительности, %/С	Температурный коэффициент сопротивления %/С	Номинальный ток питания, мА	Диапазон		Габаритные размеры, мм
		Неэквипотенциаль- ности, не более	Нелинейности, %					рабочих температур, К	магнитных индукций, Тл
ПХИ-311	100	0,1	3	2000	0,1	0,5	5	223-423	0,2	331,5
ПХИ-312	400	0,1	3	7000	0,5	1	1	213-400	0-0,1	331,5
JHG-110 Япония	30	0,2	2	800	0,05	0,5	10	223-403	0-0,5	2,82,4 4,5
KSY-10 Герма-ния	200	0,25	0,7	1000 (1500)	0,06	0,08	5	233-423	0-1	31
ХАГ-П	70	0,2	3	6000	0,3	0,8	15	213-298	0-1,5	1440,75