Полупроводниковые магниторезисторы

Конструкция магниторезистора должна быть такой, чтобы была устранена эдс Холла. Наилучшей формой является диск Корбино – рис. 5.4,а. В отсутствии магнитного поля ток идет в радиальном направлении. Под воздействием магнитного поля носители отклоняются в направлении, перпендикулярном радиусу. Так как нет граней, нет и эдс Холла. Другая конструкция (рис. 5.4,б) – пластина, ширина которой много больше длины. Недостатком такой конструкции является малое сопротивление, поэтому соединяют несколько магниторезисторов последовательно. Основными материалами являются InSb и InAs, имеющие высокую подвижность носителей заряда.

Исключить эффект Холла можно нанесением узких металлических полосок для закорачивания холловской эдс – рис. 5.4,в. Они должны быть расположены перпендикулярно линиям тока и направлению магнитного поля. Вместо тонких полосок могут использоваться монокристаллы с пронизывающими их металлическими нитями. Этот вариант реализуется при создании магниторезисторов из эвтектического сплава InSb-NiSb, в котором NiSb выпадает в виде иголок высокой проводимости, которые при выборе соответствующей ориентации полностью исключают эффект Холла.

 

Рис. 5.4. Конструкции магниторезисторов

 

Другой способ исключения эффекта Холла реализуется на основе микроэлектронной технологии и заключается в формировании магниторезисторов на основе кремниевых эпитаксиальных пленок, содержащих низкоомные шунтирующие участки поликремния, расположенные перпендикулярно направлению тока.

Основными параметрами магниторезисторов являются:

– начальное сопротивление R₀ при В = 0;

– магниторезистивное отношение R_B/R₀ – отношение сопротивлений магниторезистора в магнитном поле с известной индукцией (обычно 0,3 и 1,0 Тл) к начальному сопротивлению;

– магнитная чувствительность γ – отношение относительного изменения сопротивления ∆R/R к соответствующему изменению магнитной индукции ∆В:

 

γ = ; (5.20)

 

– нагрузочная способность, определяемая максимальной рабочей температурой (указывается или максимальная рассеиваемая мощность Р_max, или предельно допустимый ток). В табл. 5.2 приведены параметры магниторезисторов из сплава NiSb-InSb при 25 ºС.

Последние два типа датчиков (табл. 5.2) являются дифференциальными.

Таблица 5.2

 

Параметры магниторезисторов из сплава InSb-NiSb

 

Тип R0, Ом RB/R0, B = 1 Тл Размеры, мм^3 Pmax, Вт FR 3050 E     3,2 × 1,2 × 0,4 0,25 FR 17200 E   8,5 3,2 × 2,7 × 0,4 0,7 FR 3060 E     3,2 × 1,2 × 0,4 0,5 FR 110155 2 × 155   3,2 × 2,0 × 0,4 0,7 FR 111110 2 × 100 8,5 3,2 × 2,7 × 0,4 0,7

 

 

Магниторезисторы из ферромагнетиков

Ферромагнитные материалы изменяют свое сопротивление в магнитном поле (в зависимости от величины магнитной индукции и угла между направлениями векторов магнитной индукции В и тока). Для изготовления датчика магнитного поля создаются два резистора по тонкопленочной технологии в форме меандров, при этом один располагается в направлении вектора В, а другой – перпендикулярно ему. В магнитном поле в резисторе, расположенном параллельно В, наблюдается упорядочивание магнитных моментов, его сопротивление уменьшается по сравнению с сопротивлением резистора, расположенного перпендикулярно В. Оба резистора включаются в мостовую схему в смежные плечи. Материал резисторов – пермаллой (80 % Ni + 20 % Fe). Сопротивление резисторов от 30 до 1000 Ом.

В настоящее время существуют материалы, обладающие гигантским магниторезистивным эффектом (ГМЭ), открытым Бэйбичем и др. в 1988 г.

Этот эффект основан на зависимости рассеяния электронов от направления спина в очень тонких слоистых структурах, изготовленных из периодических слоев Fe-Cr или Cu-Co толщиной около 10 атомов. В магнитных полях ±30 мТл сопротивление падает до 15 %, диапазон рабочих частот простирается от постоянного поля до 1 МГц. Датчики, основанные на ГМЭ, стали доступны с середины 1990-х гг. ГМЭ-материалы используют во многих устройствах хранения информации.

 

Магнитодиоды

 

Диоды с тонкой базой W < L, где L – диффузионная длина неосновных носителей, нецелесообразно использовать в качестве магниточувствительных приборов, так как изменение их сопротивления обусловлено только изменением подвижности неосновных носителей в базе диода, и оно значительно меньше, чем в магниторезисторе.

В диодах с толстой базой (W > L) прямое напряжение распределяется между p-n переходом и сопротивлением базы диода R_б:

 

U_пр = U_p-n + I_пр∙R_б. (5.21)

 

Сопротивление базы в поперечном магнитном поле растет (вследствие уменьшения подвижности основных и неосновных носителей, уменьшении времени жизни неосновных носителей). Это приводит к перераспределению напряжения: уменьшается напряжение U_p-n, что приводит к резкому уменьшению тока, так как он экспоненциально зависит от U_p-n. Магниточувствительность диодов с толстой базой во много раз превышает чувствительность магниторезисторов. Обычно размер базы W составляет несколько диффузионных длин неосновных носителей. Материал должен обладать большой подвижностью носителей заряда.

Магниточувствительность диодов определяется как

 

Z = , (5.22)

 

где ∆U – изменение напряжения в магнитном поле.

Фирма «Сони» выпускает германиевые магнитодиоды с проводимостью, близкой к собственной, c толщиной базы W = 3 мм (L_p = 3 мм), магниточувствительность которых Z = 2∙10⁴ .

У отечественных кремниевых магнитодиодов КД 301 величина Z = 10⁴ . ВАХ германиевого магнитодиода приведена на рис. 5.5.

 

 

Рис. 5.5. ВАХ германиевого магнитодиода

Существенным недостатком магнитодиодов является сильная зависимость электрических параметров от температуры. В табл. 5.3 приведены параметры выпускаемых промышленностью магнитодиодов типа КД 301 и КД 303.

 

Таблица 5.3

 

Параметры магнитодиодов

 

Тип	Прямое напряжение, В при I = 3 мА	Магнитная чувствительность, В/Тл при 25 ºС
I = 1 мА	I = 3 мА
КД 301 А	6,0 – 7,5
КД 301 В	9,2 – 10,5
КД 301 Д	12,2 – 13,5
КД 301 Ж	15,2 – 20,0
КД 303 А	4,0 – 5,0	–
КД 303 В	6,1 – 7,0	–
КД 303 Д	9,1 – 11,0	–
КД 303 Ж	13,1 – 15,0	–