Биполярные магнитотранзисторы

Обычно биполярные транзисторы мало чувствительны к магнитному полю. Поперечное поле искривляет траекторию неосновных носителей, идущих через базу. Это эквивалентно

уменьшению эффективной подвижности носителей в базе. Однако из-за малой толщины базы все носители достигают коллектора. Другая причина изменения параметров транзистора в магнитном поле связана с изменением сопротивления базы. Для повышения чувствительности к магнитному полю биполярные транзисторы делают с двумя коллекторными переходами. В отсутствии поля половина носителей попадает на первый коллектор, другая половина – на второй. Магнитное поле отклоняет носители от одного коллектора к другому. По изменению токов коллекторов можно измерить магнитную индукцию – рис. 5.6.

Чувствительность магнитотранзисторов на несколько порядков выше, чем у датчиков Холла: Z = (2 – 4)∙10⁵ .

 

 

Рис. 5.6. Биполярный магнитотранзистор с двумя

коллекторными переходами и схема его включения

Контрольные вопросы

1. В чем заключается эффект Холла?

2. Что такое магниторезистивный эффект?

3. Почему в датчиках Холла используются полупроводниковые материалы с высокой подвижностью носителей заряда?

4. В чем преимущества использования широкозонных полупроводниковых материалов для датчиков Холла?

5. Какую конструкцию должны иметь магниторезисторы?

6. Какие диоды используются для измерения величины магнитного поля?

7. Что такое биполярный магнитотранзистор?

8. Что называется магниточувствительностью датчиков Холла?

9. Какое применение находят датчики Холла?

10. Как используются ферромагнитные материалы для измерения магнитных полей?

11. Перечислите основные параметры датчиков Холла.

12.Что такое диск Корбино?

13. В одну ли сторону отклоняются магнитным полем электроны и дырки?

14. Почему датчики Холла создаются на основе полупроводниковых материалов, хотя эффект Холла наблюдается и в металлах?

 

ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Оптические датчики позволяют преобразовывать в электрические сигналы информацию, доставляемую видимым светом или излучением длин волн ИК- и УФ-диапазонов. Измеряемая величина изменяет один из физических параметров излучения, воздействуя на него непосредственно или косвенно. Этот процесс является первичным преобразованием измеряемой величины. Физический параметр излучения, на который оказано воздействие, является вторичной измеряемой величиной, к ней и чувствителен оптический датчик. В табл. 6.1 приведены примеры изменения параметров излучения под воздействием первичной измеряемой величины.

 

Таблица 6.1

 

Изменение оптического излучения под воздействием

измеряемой величины

 

Параметр излучения	Характер изменения	Первичная измеряемая величина
Направление распространения	Отклонение	Угловые координаты, деформация
Поток	Ослабление за счет поглощения	Толщина, химический состав, плотность частиц в суспензии
Интенсивность, длина волны	Спектральное распределение энергии	Температура источника излучения
Частота	Изменение частоты (эффект Допплера)	Скорость перемещения
Поток	Модуляция прерыванием	Скорость вращения диска, число оборотов
Поляризация	Вращение плоскости поляризации из-за двойного лучепреломления	Давление, механическое напряжение

Бесконтактное измерение ряда физических величин (перемещений, вибраций, температуры и др.) возможно лишь с помощью оптических датчиков. Это позволяет вести дистанционный контроль и управление различными технологическими процессами, автоматизировать производство.

 

Принцип действия полупроводниковых

Приемников излучения

В основе работы большинства фотоприемников лежит принцип внутреннего фотоэффекта или фотопроводимости. При освещении полупроводника светом из области собственного поглощения в нем происходит генерация электронно-дырочных пар, что увеличивает проводимость на величину

 

∆σ = q(μ_n∆n + μ_p∆p). (6.1)

 

В стационарных условиях концентрация неравновесных носителей равна ∆n = k∙β∙Ф∙τ_n, ∆p = k∙β∙Ф∙τ_p, где Ф – интенсивность света, k – коэффициент поглощения, β – квантовый выход, τ_n и τ_p – эффективное время жизни электронов и дырок. Тогда

 

∆σ = q∙k∙β∙Ф∙(μ_nτ_n + μ_pτ_p). (6.2)

 

Рассмотрим собственное поглощение. Если энергия кванта hν превышает ширину запрещенной зоны E_g, то коэффициент поглощения k резко увеличивается с ростом hν. Зависимость k(hν) для Ge приведена на рис. 6.1. Поглощение начинается при hν > 0,65 эВ сначала за счет непрямых переходов электронов из валентной зоны в минимум зоны проводимости в направлении [111]. При hν > 0,8 эВ начинаются прямые переходы. Это соответствует резкому росту k, так как вероятность прямых переходов выше, чем непрямых.

 

Рис. 6.1. Зависимость коэффициента поглощения от энергии квантов для Ge при 20 °С

 

Зависимость β(hν) для Ge приведена на рис. 6.2. При hν < E_g β → 0, при hν > E_g β = 1. При больших энергиях кванта (для Gе hν > 3 эВ) электрон, перешедший в зону проводимости, обладает энергией, превышающей Е_g, и он может передать часть энергии электрону из валентной зоны и перевести его в зону проводимости. Возникает процесс умножения электронов, при котором β > 1.

 

 

Рис. 6.2. Зависимость квантового выхода от энергии квантов для Ge при 27 °С

В соответствии с приведенными зависимостями при hν>E_g происходит и рост фотопроводимости с увеличением энергии света (рис. 6.3).

 

 

Рис. 6.3. Спектральная характеристика фотопроводимости

 

Небольшая фотопроводимость при hν < E_g происходит из-за тепловых колебаний кристаллической решетки, которые приводят к флуктуации энергии электрона и величины Е_g. Фотопроводимость с ростом hν достигает максимума, а затем падает. Причина заключается в уменьшении эффективного времени жизни неосновных носителей с ростом k. Эффективное время жизни неосновных носителей

 

= + , (6.3)

 

где τ₀ – объемное время жизни; τ_s – время жизни, обусловленное рекомбинацией на поверхности.

На поверхности скорость рекомбинации выше, чем в объеме. При увеличении поглощения с ростом hν растет и поверхностная рекомбинация, что приводит к уменьшению фотопроводимости. Длинноволновый край фотопроводимости определяется из условия

 

λ(мкм) = 1,24/Е_g(эВ). (6.4)

 

Зависимость фотопроводимости от интенсивности света Ф при малых интенсивностях линейна. С ростом Ф происходит изменение заполнения рекомбинационных центров, и время жизни неравновесных носителей изменяется. В зависимости от свойств рекомбинационных центров и температуры τ может как возрастать, так и убывать. Обычно время жизни убывает, поэтому рост фототока замедляется, а люкс-ампер-ная характеристика становится сублинейной – рис. 6.4.

 

 

Рис. 6.4. Зависимость фототока от интенсивности света

фоторезистора из сульфида свинца