Технические науки / Электротехника и радиоэлектроника

Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В., Стовбчата О.П.

Вінницький національний технічний університет

Огляд магнітних сенсорів на основі магнітодіодного ефекту

Під магнітодіодним ефектом розуміють різку зміну електричного опору напівпровідникового діода з довгою базою, увімкненого в прямому напрямку, у результаті дії на діод поперечного магнітного поля [1]. Для пояснення цього ефекту розглянемо явища, що виникають у діоді, зображеному на рис. 1.

Він має p-n-перехід, тобто контакт напівпровідників з електронною і дірковою провідністю в одному монокристалі. Перехід у цьому випадку несиметричний – концентрація рівноважних носіїв у p-області значно більша, ніж у n-області, тобто n-область є більш високоомною, ніж p-область.

Рис. 1. Структура магнітодіода

Під час приєднання до р-напівпровідника позитивного полюса зовнішнього джерела живлення, а до n-напівпровідника – негативного відбувається інжекція дірок із р-області в n-область. Внаслідок цього в обох частинах p-n-переходу почне відповідно зростати концентрація електронів і дірок. Якщо рівень інжекції достатньо високий, то провідність n-області буде визначатися концентрацією нерівноважних носіїв. Інжектовані дірки дифундують від p-n-переходу всередину n-напівпровідника на деяку відстань L, яка називається дифузійною довжиною. На цій відстані концентрація нерівноважних носіїв зменшується внаслідок рекомбінації в e раз. При високих рівнях інжекції [2]

де b = μ_n/μ_p - відношення рухливостей електронів і дірок: τ - час життя носіїв; D_eff - коефіцієнт спільної дифузії.

Внесок нерівноважних носіїв струму в електропровідність n-області сильно залежить від значення дифузійної довжини. Чим менше L, тим менша концентрація нерівноважних носіїв струму в n-напівпровіднику і тим більший його опір. Якщо розташувати досліджуваний діод в поперечному магнітному полі, то коефіцієнт дифузії D_eff нерівноважних носіїв струму зменшиться внаслідок викривлення траєкторії руху носіїв під дією сили Лоренца. Вплив магнітного поля тут особливо значний, оскільки при спільній дифузії нерівноважних електронно-діркових пар практично відсутнє поле Холла, яке могло б частково компенсувати викривлення траєкторії. Тому поперечне магнітне поле викликає зменшення дифузійної довжини, а отже, і зростання опору n-області. Вплив зменшення L на зростання опору довгої n-області досягає максимуму при деякому значенні співвідношення d/L, де d - довжина n-області. Для германію, наприклад, оптимальне значення d/L = 4...6.

Отже, при дії поперечного магнітного поля на діод (рис. 1), через який протікає достатньо великий прямий струм, дифузійна довжина інжектованих у n-напівпровідник дірок зменшується. Це, у свою чергу викликає збільшення опору n-напівпровідника і, як наслідок, перерозподіл напруги U₀ (що спадає на p-n-переході) і напруги U_n (що спадає на n-області): U_n, зростає, а U₀ зменшується, причому U₀ + U_n = const. Зменшення напруги на p-n-переході призведе до зменшення інжекції дірок із p-n-переходу і до нового збільшення опору n-напівпровідника. Останнє викликає новий перерозподіл напруги, нове зменшення інжекції і т.д. У результаті мале початкове зменшення дифузійної довжини в магнітному полі призводить до дуже сильного зменшення прямого струму через діод (внаслідок різкого зменшення середньої концентрації нерівноважних носіїв струму).

При розташуванні діода з довгою базою у магнітному полі паралельно його подовжній осі, інжектовані в базу електрони і дірки починають обертатися навколо осі в перпендикулярній площині [3]. При цьому відбувається утворення згустків плазми, що чергуються зі збідненими областями. Якщо на бічних гранях діода встановити два симетричних зонди (типу холлівських контактів), то обертання згустків і збіднених областей плазми в перпендикулярній площині приведе до появи змінної ЕРС між зондами. Коливання струму, що протікає через діод симетричної структури, при цьому не відбувається, тому що перерозподіл плазми в перпендикулярній площині не змінює сумарної концентрації і загального опору. При порушенні симетрії розподілу вихідної концентрації носіїв заряду щодо осі (зміною швидкості поверхневої рекомбінації на одній грані, бічним підсвічуванням і т.д.) виникнення змінної ЕРС на поперечних зондах супроводжується виникненням коливань струму, що протікає через діод.

У роботі [4] розглядається магнітодіод, конструкція якого представлена на рис. 2. Магнітодіод містить пластину з напівпровідникового матеріалу з S – подібною вольт-амперною характеристикою. До пластини примикають інжектований і омічний лінійні контакти. З метою підвищення чутливості до магнітного поля, один з контактів виконаний у виді рівнобедреного трикутника з вершиною, спрямованого в глибину бази магнітодіода. Зменшення рухливості носіїв заряду відбувається за рахунок накладення магнітного поля, що викликає збільшення опору бази з відповідним перерозподілом прикладеного до діода напруги між p-n-переходом і товщею бази. При цьому зменшення напруги на p-n-переході сприяє зменшенню інжекції, тобто концентрації інжектованих у базу носіїв і, їхнього часу життя. Що приводить до нового збільшення опору бази і зменшенню струму через діод (тобто підвищенню напруги на діоді при заданому струмі через нього).

Рис. 2. Конструкція магнітодіода: 1 – пластина з напівпровідникового матеріалу (кремній, германій, арсенід галію); 2, 3 – контакти; 4 – шнур високої густини струму

На рис. 3 приведена одна із структур інтегрального магнітодіода, виготовленого з використанням типової МОП технології. Область емітера 1 і контакт до колектора 2 магнітодіода реалізовані на основі n+ областей стоку-витоку n МОП транзистора, базова область 3 формується на основі дифузійної області кишені р-типу, контакт до базової області 4 – на основі р+ областей стоку-витоку р МОП транзистора, колектором є підкладка n-типу. В даній конструкції межа розділу оксид-кремній 5 грає роль поверхні з низкою швидкістю рекомбінації, а зворотно зміщений р-n-перехід база-колектор – роль поверхні з високою швидкістю рекомбінації носіїв заряду.

Рис. 3. Структура магнітодіода

Відмітні особливості даного приладу: магніточутливий елемент ефективно працює при високому рівні інжекції; корисний сигнал знімається між електродами емітер-база [5]. У роботі [6] запропонована оригінальна конструкція магнітодіода, виготовленого за технологією «кремній на сапфірі» (КНС). На рис. 4 приведений один з варіантів структури такого приладу.

Рис. 4. Структура магнітодіода, виготовленого за технологією

«кремній на сапфірі»

Електрони і дірки з n+ і р+ областей інжектуються в слабко леговану n-область, де вони дрейфують під впливом електричного поля. Поверхня розділу (Si-SiO₂) в пластині має низьку швидкість рекомбінації S, в порівнянні з швидкістю рекомбінації S₂ нижньої межі розділу (Si-Al₂O₃)_. Магнітне поле в площині відхиляє носії заряду до однієї з площин і у вольтамперної характеристиці відбуваються відповідні зміни. Прилад має високу магнітну чутливість; проте є і деякі недоліки. Основним недоліком вважається сильна нелінійність енергетичної характеристики чутливості, яка залежить від напряму впливаючого магнітного поля. Додаткові проблеми створює велика залежність параметрів приладу від температури [6].

З появою халькогенідного напівпровідникового скла були розроблені магнітодіоди, що володіють специфічними характеристиками [7]. Дія магнітодіодів базується на використанні оригінальних властивостей халькогенідного скла. Шари халькогенідного напівпровідникового скла, якщо їх помістити між металевими електродами, володіють симетричними вольт-амперними характеристиками з ділянками негативного опору, що розділяють два можливі стійкі стани – високоомий і низькоомний. При певних складах халькогенідного скла такі структури після переходу в низькоомний стан залишаються в ньому і після зняття напруги зсуву, тобто в них спостерігається ефект «пам’яті». Перепад опорів у високоомному і низькоомному стані може перевищувати 3–4 порядки при відношенні порогової напруги до залишкової до 10-50 разів. Ефекти перемикання і «пам’яті» визначаються об’ємними процесами і не пов’язані з існуванням р-n або гетеропереходів.

На рис. 5 показана структура магнітодіода з аморфно–кристалічним гетеропереходом, реалізована на базі структур вітчизняних магнітодіодів типу КДЗОЗ. На рис. 6 приведена вольт-амперна характеристика такого діода [7].

Порогова напруженість електричного поля, що забезпечує перемикання приладу в провідний стан, дорівнює 10⁵-10⁶ В/см. Час перемикання – близько 10^-9с при часі затримки близько 10^-6с. Напруга перемикання, залишкова напруга і опір структури в низькоомному стані сильно залежать від індукції керуючого магнітного поля. Вольтамперні характеристики таких магнітодіодів на основі КД304А-1 – КД304Ж-1 симетричні і дані на рис. 6.

Рис. 5. Структура магнітодіода з аморфно-кристалічним гетеропереходом: на базі КД303А – КД303Ж

Рис. 6. Симетричні ВАХ магнітодіода з пороговим перемиканням при відсутності магнітного поля В і в полі з В = 0,3 Тл

Головним недоліком магнітодіодів є низька температура експлуатації – до +85 ^оС.

Література

1. Викулин И. М. Гальваномагнитные приборы / И. М. Викулин, Л. Ф. Викулина, В. И. Стафеев. – М.: Радио и связь, 1983. – 104 с.

2. Мікроелектронні сенсори фізичних величин / За ред. З. Ю. Готри. – Львів: Ліга-Прес, 2002. – 475 с.

3. Осадчук В. С. Сенсори тиску і магнітного поля / В. С. Осадчук, О. В. Осадчук. – Вінниця: «УНІВЕРСУМ–Вінниця», 2005. – 207 с.

4. Чаплыгин Ю.А. Введение в технологию кремниевых микроэлектронных датчиков. Учебное пособие / Ю.А.Чаплыгин, А.И.Галушков. –М.:МИЭТ, 1996. –62с.

5. Кордич С. Интегральные кремниевые датчики магнитного поля / С. Кордич // Sensors & Actuators. – 1986. – № 10. – Р. 34–78.

6. Егиазарян Г. А. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение /
Г. А. Егиазарян, В. И. Стафеев. – М.: Радио и Связь, 1987. – 88 с.

7. Стафеев В.И. Магнитодиоды / В. И. Стафеев, Э. И. Каракушан. – М.: Наука. 1975. – 216 с.