3.6. Магнитодиоды

3.6.1. Магнитодиодный эффект

Из известных эффектов, возникающих при помещении полупроводника с неравновесной проводимостью в магнитное поле, большой практический интерес представляет магнитодиодный эффект, проявляющийся при инжекции носителей из p-n перехода при пропускании прямого тока в длинных диодах.

При высоких уровнях инжекции прямую ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ) резкого несимметричного диода с омическим вторым контактом можно аппроксимировать соотношением [6]

, (3.30)

где U – приложенное к диоду напряжение;

;

d – длина базы; – эффективная длина диффузионного смещения; l – длина диффузионного смещения.

В обычных диодах d/L«1 и вольт-амперная характеристика

, (3.31)

где n – собственная концентрация носителей.

В этом случае, как видно из (2.2), прямой ток диода не зависит от L. В «длинных» диодах, т.е. в диодах с большим расстоянием между p-n переходом и неактивным контактом »1,

, (3.32)

где _о – удельное сопротивление исходного полупроводника. В этом случае c~/(b+1), т.е. сильно зависит от L. Следовательно, согласно (3.32) любое незначительное изменение длины диффузионного смещения приведет к очень большому изменению прямого тока.

В «длинных» диодах (d/L»1) распределение носителей, а, следовательно, сопротивление толщи диода (база) определяется длиной диффузионного смещения неравновесных носителей заряда. Уменьшение L приводит к понижению концентрации неравновесных носителей в базе, т.е. к повышению ее сопротивления. Это вызывает увеличение падения напряжения на базе и 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 »1 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.

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 и направление линий тока, но и на время жизни носителей. Перечисленные явления приводят к сильному изменению неравновесной проводимости диода. В магнитном поле малое начальное изменение длины диффузионного смещения и эффективной толщины базы приводит к сильному изменению сопротивления базы и соответственно прямого тока вследствие резкого изменения концентрации неравновесных носителей заряда. Это и есть магнитодиодный эффект.

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 экстракции носителей p-n переходом, на который подано обратное напряжение, или n⁺-р переходом.

Следует отметить, что все эффекты, наблюдаемые в диодах с омическим контактом, могут быть воспроизведены также и в диодах с антизапирающим контактом. Только в этом случае необходимо учесть, что замена идеального омического контакта идеальным антизапирающим эквивалентна уменьшению эффективной толщины базы вдвое. Поэтому замена омического контакта на антизапирающий несущественно меняет свойства диодов с «длинной» базой.

3.6.2. Параметры магнитодиодов

Магнитодиодом называется полупроводниковый преобразователь магнитного поля, принцип действия которого основан на манитодиодном эффекте. У магнитодиода ток в проводящем направлении сильно зависит от значения магнитной индукции воздействующего на него поперечного поля. Влияние магнитного поля на сопротивление в непроводящем направлении незначительно, и им можно пренебречь. Основными параметрами магнитодиодов, используемых в качестве преобразователей магнитного поля, являются [7]:

– прямое напряжение U_м – падение напряжения на магнитодиоде в проводящем направлении при пропускании через него номинального прямого тока I_ми отсутствии поперечного магнитного поля. Значение прямого напряжения предопределяет электрическую схему включения магнитодиода. В зависимости от значения U_ммагнитодиоды разбиваются на соответствующие группы;

– прямой (рабочий) ток I_м – значение прямого (неизменного во времени) тока через магнитодиод, длительное протекание которого не вызывает недопустимого перегрева магнитодиода при нахождении его в среде неподвижного воздуха;

– максимально допустимый прямой импульсный ток I_мmax, определяемый из условий, что длительность импульса должна быть не более 6 мс, а средняя рассеиваемая мощность на магнитодиоде не превышает допустимую;

– максимально допустимый постоянный обратный ток I_мобр, равный значению обратного тока при приложении к магнитодиоду обратного напряжения в 100 В;

– максимально допустимая рассеиваемая мощность P_max, определяемая из условий, что магнитодиод помещен в среду неподвижного воздуха при температуре 25C, а температура p-n перехода магнитодиода при этом не превышает допустимую. С ростом окружающей температуры до 85C P_maxуменьшается по линейному закону;

– магнитная чувствительность _мд, определяемая как приращение падения напряжения в проводящем направлении при неизменном номинальном значении прямого тока на соответствующее приращение магнитного поля

,

где U_мв– прямое падение напряжения при магнитной индукции B; U_мо– прямое падение напряжения при B=0.

Магнитная чувствительность зависит как от прямого тока I_м, так и от магнитной индукции B, что можно заметить из рис. 3.27, где приведены экспериментально полученные кривые для магнитодиодов типа КД301.

Рис. 3.27. Зависимость магнитной чувствительности магнитодиода КД301

от тока и магнитной индукции

К числу важных для эксплуатации параметров магнитодиодов относятся также диапазоны рабочих температур и частот по магнитному и электрическому полям.

В СНГ выпускаются полупроводниковые кремниевые сплавные n-p-p⁺бескорпусные магнитодиоды типов КД301А – КД301Ж, предназначенные в качестве преобразователей магнитного поля в радиотехнических и электронных устройствах широкого применения.

Таблица 3.8

Электрические параметры магнитодиодов при t=2510С

Тип магнитодиода	Прямое напряжение, В, при I=3мА	Магнитная чуствительность В/Тл
		Iм=1мА	Iм=3мА
КД301А КД301Б КД301В КД301Г КД301Д КД301Е КД301Ж КД303А КД303Б КД303В КД303Г КД303Д КД303Е КД303Ж	6,0– 7,5+0,2 7,7– 9,0+0,2 9,2–10,5+0,2 10,7–12,0+0,2 12,2–13,5+0,2 13,7–15,0+0,2 15,2–20,0+0,2 4,0– 5+0,1 5,1– 6+0,1 6,1– 7+0,1 7,1– 9+0,1 9,1–11+0,1 11,1–13+0,1 13,1–15+0,1	5 5 10 10 15 15 20 – – – – – – –	15 15 30 30 45 45 60 10 10 25 30 35 40 45

На рис. 3.28 приведены габаритные размеры магнитодиодов КД301 и усредненные вольт-амперные характеристики, а в табл. 3.8 – их электрические параметры. Существенным недостатком магнитодиодов является сильная зависимость электрических параметров от температуры. Температурная зависимость магнитодиодов определяется в основном уменьшением подвижности носителей с ростом температуры (t^3/2); уменьшением времени жизни носителей с ростом температуры; увеличением концентрации основных носителей (за счет их генерации) с ростом температуры. При отсутствии магнитного поля уменьшение подвижности носителей с ростом температуры приводит к увеличению сопротивления базы (t^3/2). Однако при t >70 C на сопротивление более существенное влияние начинает оказывать генерация основных носителей. Это вызывает некоторое уменьшение роста сопротивления базы в зависимости от температуры [7].

Рис. 3.28. Габаритный чертеж (a) и вольт-амперные характеристики (б) магнитодиода КД301

При наличии магнитного поля уменьшение подвижности неравновесных носителей с увеличением температуры приводит к уменьшению действия магнитного поля на носители. Это означает ослабление зависимости эффективной длины диффузионного смещения неосновных носителей от магнитного поля. При этом ослабевает также и зависимость сопротивления базы от значения магнитного поля. При определенном значении магнитной индукции последнее обстоятельство становится более значимым, чем увеличение сопротивления базы, связанное с уменьшением подвижности носителей. В результате изменяется знак температурного коэффициента, что можно заметить из вольт-амперных характеристик, приведенных на рис. 3.28 б. Видно, что при B=0 с ростом температуры вольт-амперные характеристики смещаются в сторону более высоких напряжений, а при B=0,3 Тл – в сторону более низких напряжений. Можно найти такое значение магнитной индукции (это значение принято называть индукцией реверсии B_rev), при котором достигается хорошая температурная стабилизация. Сказанное подтверждается экспериментально полученными кривыми на рис. 3.29, где показано изменение прямого напряжения U_мот температуры при I_м=const для магнитодиодов типа КД301. Необходимо подчеркнуть, что значение B_revсущественно различается для разных образцов магнитодиодов. Определять B_revследует экспериментально для каждого конкретного магнитодиода. Его значения для магнитодиодов типа КД301 лежат в пределах от 0,06 до 1,5 Тл. Для повышения температурной стабильности характеристик можно рекомендовать предварительное подмагничивание с индукцией около 0,1 Тл. При этом удается уменьшить температурный коэффициент магнитосопротивления базы примерно с 0,2 до 0,1 %/град.

Рис. 3.29. Зависимость прямого напряжения магнитодиода

от температуры при разных индукциях

Рис. 3.30. Габаритный чертеж (a) и вольт-амперные характеристики (б) магнитодиода КД303 при разных значениях магнитной индукции B

Магнитодиоды серии КД303 (рис. 3.30 a) в отличие от магнитодиодов серии КД301 имеют вольт-амперные характеристики, зависящие от направления вектора магнитной индукции (рис. 3.30 б). Магнитная чувствительность этих магнитодиодов зависит не только от значений прямого тока I_ми магнитной индукции B, но и от направления последней, что можно заметить по кривым на рис. 3.31.

Рис. 3.31. Зависимость _мдот B магнитодиода КД303

при I_м=3 мA и T=25C