3.4. Магниторезистивные преобразователи

3.4.1. Основные параметры магниторезисторов

Сопротивление проводящего канала при наличии носителей заряда двух знаков определяется выражением 4

(3.24)

где l и S – соответственно длина и сечение проводящего канала; n и p – соответственно средняя концентрация электронов и дырок; _n и _р – соответственно подвижность электронов и дырок.

При воздействии на канал магнитного поля изменяется его электрическое сопротивление вследствие изменения подвижности носителей заряда, их средней концентрации и изменения соотношения размеров проводящего канала. Это явление обусловлено тем, что носители тока, перемещающиеся в полупроводнике под действием электрического поля, не имеют одинаковых скоростей. Скорости носителей тока различны и подчиняются распределению, отвечающему статистике Ферми–Дирака. В результате этого поперечное поле Холла компенсирует влияние силы Лоренца только на носители тока, имеющие среднюю скорость v. Поэтому будут существовать носители тока (со скоростью, большей или меньшей v), траектория которых будет искривлена, что приведет к увеличению числа столкновений (сокращению длины свободного пробега) и тем самым к повышению удельного сопротивления полупроводника.

Гальваномагнитный прибор, величина сопротивления которого сильно меняется при изменении воздействующего на него магнитного поля, называется магниторезистором.

Уравнение преобразования магниторезистора имеет вид

(3.25)

где – сопротивление преобразователя при В = 0; А – магниторезистивный коэффициент, зависящий от свойств материала и формы преобразователя; м – показатель степени, равный 2 в слабых магнитных полях (В0,20,5 Тл), для которых ·, и равный 1 в сильных магнитных полях, при которых ·.

Магниторезистивный коэффициент А зависит от формы магниторезистора. Чем меньше отношение длины резистора к площади его сечения, тем больше коэффициент А. В этом отношении оптимальна конструкция в виде диска Корбино (рис. 3.16 а), у которой один электрод укреплен в центре, а второй – в виде обода на окружности. У такого преобразователя нет граней для концентрации носителей заряда, вследствие чего уменьшается влияние эффекта Холла. Если взять полупроводниковый материал с большой подвижностью носителей тока, то увеличение сопротивления диска Корбино в поле с индукцией в 1 Тл может достигнуть 38–кратного значения. Недостатком магниторезисторов в виде дисков Корбино и коротких прямоугольных пластинок (рис. 3.16 б) является их малое начальное сопротивление. Для увеличения этого сопротивления магниторезисторы выполняются в виде ряда коротких полупроводниковых резисторов,

соединенных последовательно проводящими слоями или в виде меандра. Это позволяет создавать магниторезисторы с сопротивлением несколько кОм при сохранении большого значения коэффициента А.

Основными параметрами магниторезистора являются:

1) начальное сопротивление R₀ при В=0. Его значение зависит от проводимости основного материала , которое, в свою очередь, определяется степенью легирования; шириной меандровой полоски, оптимальное значение которой составляет около 80 мкм; шириной меандровой полоски, которая примерно равна 25 мкм; длиной меандровой полоски, которая определяется желаемым сопротивлением магниторезистора.

В зависимости от проводимости основного материала  при меандровой форме получаются следующие значения сопротивления на 1 мм² площади магниторезистора =2·10⁴ Ом^-1м^-1 – примерно 100 Ом; для =5,5·10⁴ Ом^-1м^-1– примерно 400 Ом.

Отклонение R₀ от номинального значения зависит от неоднородности основного материала и воспроизводимости геометрических размеров меандровой полоски;

2) магниторезистивное отношение R_ВR₀ , представляющее собой отношение сопротивления магниторезистора при определенном значении магнитной индукции (обычно 0,3 и 1 Тл) к начальному сопротивлению. Функция преобразования магниторезисторов является четной, поэтому как в постоянном магнитном поле, так и в переменном их сопротивление увеличивается (рис. 3.17). Магниторезистивное отношение сильно зависит от температуры (рис. 3.18);

3

(3.26)

) магнитная чувствительность S_В, определяемая как относительное приращение сопротивления магниторезистора RR, деленное на соответствующее приращение магнитной индукции В

Наибольшую магнитную чувствительность имеет магниторезистор в виде диска Корбино;

4) нагрузочная способность магниторезистора. Этот параметр определяется тем предельным значением температуры перегрева, который допускается для магниторезистора при условии, что он не будет выведен из строя. Значение этой температуры равно примерно 150 – 327 С. Значение нагрузочной способности в значительной степени определяется условиями теплоотдачи магниторезистора. Так, например, она возрастает примерно в 10 раз, если магниторезистор наклеивается на массивное металлическое основание;

R_ВR₀

1,5

1

0,5

0

10

20

30

40

50

t,С

Рис. 3.18. Зависимость магниторезистивного отношения от температуры при различных значениях индукции магнитного поля

5) температурный коэффициент сопротивления магниторезисторов зависит от материала, магнитной индукции и температуры. Чем больше чувствительность магниторезистора, тем больше его ТКС. Значения ТКС различных типов магниторезисторов лежат в пределах 0,0002 – 0,012 К^-1.

Первые магниторезисторы выполнялись из висмута (висмутовые спирали). В настоящее время магниторезисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов группы А^IIIВ^V – антимонида индия, арсенида индия и др., в которых проявляется магниторезистивный эффект вследствие большой подвижности носителей заряда. Антимонид индия обладает наибольшей подвижностью электронов (см. табл. 3.4). Однако даже у этого материала удельное сопротивление под действием нормально направленного магнитного поля величиной в 1 Тл увеличивается лишь приблизительно в два раза. Поэтому для получения магниторезисторов к этому основному материалу добавляют 1,8 % антимонида никеля NiSb. После сплавления и последующего остывания антимонид никеля выкристаллизовывается в антимониде индия в виде игл, которые при правильном выращивании или зонной плавке располагаются параллельно друг другу в толще основного материала. Удельное сопротивление игл из антимонида никеля приблизительно на два порядка ниже сопротивления окружающего его антимонида индия. Это приводит к резкому подавлению электрического поля Холла, вредного для магниторезисторов, и к искривлению траекторий электронов под действием магнитного поля, т.е. к возрастанию эффекта магнитосопротивления. Параметры магниторезисторов из эвтектического сплава InSb – NiSb фирмы Siemens AG приведены в табл. 3.6

Таблица 3.6

Параметры магниторезисторов из эвтектического сплава InSb – NiSb

(подложки всех магниторезисторов из ферромагнетика)

Тип	Начальное сопротивление R 0 при В=0 и Т=25С, Ом	Относительное изменение сопротивления R В /R 0		Температурный коэффициент сопротивления, С			Размеры магниторезистора, включая подложку, мм	Максимальная рассеиваемая мощность при 25С, Вт
		В=0,3Тл	В=1Тл	В=0	В=0,3Тл	В=1Тл
FP3050E	50	3	15	-1,8	-2,7	-2,9	3,21,20,4	0,25
FP17200E	200	1,85	8,5	-0,16	-0,38	-0,54	3,22,70,4	0,7
FP3060E	600	1,6	6	+0,02	-0,13	-0,25	3,21,20,4	0,5
FP110155	2155	3	15	-1,8	-2,7	-2,9	3,22,00,4	0,7
FP111100	2100	1,85	8,5	-0,16	-0,038	-0,54	3,22,70,4	0,7

FP110155 и FP111100 – дифференциальные магниторезисторы, т.е. два одинаковых магниторезистора включены в мостовую схему и имеют один объединенный вывод.

3.4.2. Технология изготовления магниторезисторов

В настоящее время для формирования магниторезисторов наиболее часто используется пленочная технология, позволяющая получать магниторезисторы различной конфигурации (рис. 3.19).

Особенностью этой технологии является нанесение в едином цикле вакуумного напыления на стеклянную подложку хромового подслоя толщиной около 50 нм, слоев сурьмы, индия и последующей их термообработке по определенному режиму, приводящей к образованию пленки поликристаллического антимонида индия (рис. 3.20). Полученная таким образом пленка прочно удерживается на подложке и не отслаивается в процессе фотолитографического травления. Необходимо отметить, что поверх пленки антимонида индия целесообразно наносить слой металлического индия, из которого фотолитографически вытравливаются поперечные полоски для закорачивания холловского напряжения и улучшения параметров магниторезисторов.

Выбор индия для указанных целей обосновывается его высокой проводимостью, повышенной адгезией к InSb, а также стремлением избежать загрязнения вакуумной установки другими металлами.