13.Магниторезистивный эффект

Под действием силы Лоренца траектория движения носителей заряда ис­кривляется. Это равносильно увеличению длины свободного пробега в направ­лении внешнего поля между токовыми контактами или увеличению удельного сопротивления проводника в магнитном поле. При рассмотрении эффекта Холла был рассмотрен случай равновесия си­лы Лоренца F и силы поперечного электрического поля. В этом случае не про­исходит искривления траекторий носителей заряда, то есть сопротивление по­лупроводника не должно измениться под воздействием магнитного поля. Эти рассуждения проводились для носителей, движущихся со средней скоростью V.

Однако, из-за различных скоростей движения носителей заряда, равнове­сия сил не наблюдается: на более быстрые носители сильнее действует- сила Лоренца, на более медленные - поле Холла. Траектории движения более быстрых носителей искривляются (то есть не совпадают с направлением внешнего магнитного поля, рис.4.2). Их путь стано­вится длиннее, то есть увеличивается сопротивление полупроводника, R = р 1/S (I - увеличивается, а значит R также возрастает).Явление роста сопротивления с увеличением напряженности магнитного поля наблюдается и в металлах, но в полупроводниках магниторезистивный эффект выражен значительно сильнее.

Магниторезисторы Это полупроводниковые переменные резисторы, электрическое сопро­тивление которых изменяется под воздействием внешнего поперечного маг­нитного поля.

Магниторезистор состоит из одного или нескольких магниторезистивных элементов, находящихся в воздушном зазоре управляющей магнитной цепи. Регулируя напряженность управляющего магнитного поля в зазоре или пере­мещая резистивный элемент в поле постоянного магнита можно управлять ве­личиной сопротивления.

То есть магнитоуправляемый полупроводниковый резистор содержит две электрически изолированные цепи: управляемую цепь магниторезистивного элемента и управляющую цепь, где в качестве источника магнитного поля мо­жет использоваться постоянный магнит или электромагнит.

Магниторезистивные элементы выполняют на основе полупроводников с высокой подвижностью носителей заряда:

Арсенид индия InAs, антимонид индия InSn n -типа и другие.

Монокристаллы полупроводников разрезают на пластины толщиной 0,8-1 мм. Одну из сторон заготовки подвергают шлифовке, полировке или химиче­скому травлению. Затем обработанной стороной наклеивают на подложку из диэлектрика (например, радиокерамика) или из магнитного материала (феррит, пермаллой). Затем толщина пластины полупроводника доводится до заданного значения (10-:-80) мкм.

Наносят токопроводящие контакты и припаивают выводы.

Для защиты от влаги и от механических повреждений покрывают защит­ной пленкой. Иногда для получения больших величин сопротивления магниторезистивные элементы выполняют в форме меандра (с использованием методов ультразвуковой обработки материалов, электроэрозионной резки и так далее, рис 4.3). Рис.4.3. Магниторезистивный элемент в форме меандра: 1-подложка; 2-магниторезистивный элемент; 3-выводы.

Для увеличения диапазона изменения сопротивления резистивного эле­мента, при наличии магнитного поля, на прямоугольные резистивные элементы (с толщиной 10-20 мкм) наносят (методами напыления в вакууме) пленочный токопроводящей растр (из цинка или никеля) носителей заряда при воздействии поперечного магнитного поля, рис.4.4. Рис.4.4. Магниторезистор с пленочным токопроводящим растром: 1-подложка; 2-резистивный элемент; 3-контакты; 4-выводы; 5-полоски растра; 6-траектории движения носителей заряда при воздействии попе­речного магнитного поля.Расстояние между полосками растра выполняют в 5-6 раз меньше шири­ны резистивного элемента. Растр расчленяет резистивный элемент на большое число последовательно включенных элементов, длина, которых соизмерима с протяженностью начального наиболее искривленного участка траектории носи­теля заряда.

Если толщина резистивного элемента > 20 мкм, то резистивный элемент изготовляют с внутренним проводящем растром, который создается в процессе выращивания монокристалла полупроводника.

Основные параметры и характеристики магниторезисторовro - номинальное сопротивление в отсутствии магнитного поля (5...1000) Ом.

Отношение rb/ro, где rb - сопротивление магниторезистора в поперечном магнитном поле. При индукции В =0,5Т или IT rb/ro =(1,5-:-20). Значения rb/ro =(10-:-20) характерны для резистивного элемента с прово­дящим растром.

ТКС= - (5ч-20)-10" 1/°С при В=0, то есть в отсутствии внешнего магнитного поля.

Рт - максимально допустимая мощность рассеяния =<0,5Вт.

Зависимость RB=f(B) при t=const, рис.4.5.

Функциональная характеристика может быть линейной и нелинейной. Достоинства: - отсутствие подвижного контакта обеспечивает длительный срок службы из-за отсутствия износа;

-плавность регулирования; -отсутствие шумов. Недостаток: значительная зависимость сопротивления от температуры.

Применение: в качестве чувствительных элементов датчиков магнитного поля; в качестве переменных резисторов в РЭА (в сочетании с управляющей магнитной системой); в качестве переключающих элементов в бесконтактной коммутационной аппаратуре; в качестве датчиков угла поворота в устройствах автоматики.

14.Дроссели насыщения.

Для нормальной работы большинства цепей PЭА требуются постоянные Т иU. Но выпрямители различных схем имеют на выходе пульсирующие напряжение, содержащее наряду с постоянной, переменную составляющую – пульсации. Для И_nмежду выходом выпрямителя и нагрузкой включают фильтр, который в большинстве случаев выполняет с индуктивным элементом – дросселем.U_1m,U_1m’ – амплитуда пульсации основной гармоники на входе и выходе фильтра. Величина пульсации оценивается коэффициентомK_nвх=U_1m’/U_dK_nвых=U_1m/U_d,K_n<1U_d– среднее за период значение выпрямленного напряжения. Амплитуда пульсации – максимальное отклонение отU_d -U_1m K_nвх определяется схемой выпрямителя.K_nвых обычно задают в Т3 Коэффициент сглаживанияK_сгл=K_nвх/K_nвых>1.

K_сгл=U_1m’/U_1m: ДляLфильтровK_сгл составляет единица.

Для вычисления индуктивности сглаживания дросселя:

K_сгл=√R²d+(m_nωLd)² m_n – число пульсаций за период в кривой выпрямленного напряжения.ω= 2πf,f– частота основной гармоники.R_dзадаётся в Т3.Ld= R_d K_сгл/m_n ω

Особенности режима работы сглаживающего дросселя.

Так как ток, протекающий по обмотке Dимеет 2 составляющие – постояннуюI₀, переменнуюI_m, которые создают в сердечникеB_max=B₀+B_m;B_g>B_max;

При наличии постоянной составляющей B₀перемагнич-ие материала сердечника осуществляется по частным петлям гистерезиса, которые имеют большой наклон кOXи большую площадь. При изменении величины тока, протекающего по обмотке дросселя, изменяется величинаL_g, а также величинаB_max, которая может превыситьB_s. Чтобы стабилизировать изменениеLиB_maxпри измененииI₀в сердечник дросселя вводят немагнитный зазор. При введении зазора эквивалентное М сердечника сильно уменьшается.

H_cl_c+H₃σ=H_эl_э;l_э=l_c+σ≈l_c σ– суммарная длина немагнитного зазора.B_cl_c/μ₀μ_c+B_об/μ₀=(B_э/μ_э)*l_э;B_э≡B₀≡B_cσ– очень мала.

μ_э=μ₀μ_c l_c/(l_c+σμ₀₎=μ₀μ_c/(1+σ/l_cμ₀) [м]

при отсутствии зависимостей l=f(σ), расчётσведут методом последовательных приближений:

1.Задают произв., σ; 2.Вычисляютμ_э; 3.Вычисляютl;4.измен-тσ

и повторяют вычисления добиваясь значения l_max.

Расчёт сглаживающих дросселей.

1. Выбор материала сердечника. Требование: -высокое μ_э, высокаяB_s– малые потери. -стабильность магнитных характеристик. Лучшими материалами являются холоднокатаные текстурированные стали (специальные электротехнические), пермоллои

2.Выбор типа сердечника сглаживающего дросселя. Типы:1)броневой 2)стержневой 3)тораидальный (кольцевой)

выбор производится с учётом требований к минимизации малогабаритных показателей сглаживания дросселей (3.2), минимизация полей рассеяния (3.1).

1.БОЛОМЕТРЫ Полупроводниковый прибор, который содержит два термистора, выполненные в виде тонких пленок (б~10 мкм) прямоугольной формы. Один из термисторов - активный - непосредственно подвергается воздействию измеряемого теплового излучения. Его сопротивление изменяется в результате нагрева .(при облучении электромагнитным излучением оптического или инфракрасного диапазона частот). Второй термистор - пассивный - служит для компенсации влияния изменения температуры окружающей среды и должен быть экранирован от измеряемого излучения. Термисторы помещают в общий корпус, который имеет три внешних вывода: от от активного и компенсационного термистора и от средней точки. Типы БКМ-1 БКМ-2 на основе кобальтово-марганцевых термисторов БКМ-3 Пленки выполняют на стеклянных и кварцевых подложниках или без них.