Магниторезистивные преобразователи

Сопротивление проводящего канала при наличии носителей заряда двух знаков определяется выражением:

R=l/[Se(nu_n+pu_p)]

где е – заряд электрона; n и u_n – соответственно средняя концентрация и подвиж­ность электронов (анионов); р и u_p – средняя концентрация и подвижность дырок (катионов); l и S – соответственно длина и сечение проводящего канала.

При воздействии на канал магнитного поля изменяется его электрическое сопротивление вследствие изменения подвижности носителей заряда, их средней кон­центрации и изменения соотношения размеров проводящего канала. Магниторезистивный эффект можно наблюдать в чистых металлах, в полупроводниках, а также в электролитах [1].

К магниторезистивным преобразователям относятся магниторезисторы, магнитодиоды, биполярные магнитотранзисторы, гальваномагниторекомбина-ционные пре­образователи и полевые магнитотриоды. В настоящее время для создания средств измерений практическое применение нашли магниторезисторы и гальваномагниторекомбинационные преобразователи. Остальные типы магниторезистивных пре­образователей, за исключением магнитодиодов, находятся еще в стадии развития. Магнитодиоды применяются главным образом в качестве бесконтактных переменных резисторов.

Магниторезисторы представляют собой гальваномагнитные преобразователи (ГМП), изменение сопротивления которых обусловлено изменением подвижности носителей заряда. Под действием магнитного поля траектории носителей искрив­ляются, вследствие чего скорость их движения в направлении электрического поля уменьшается. Уравнение преобразования магниторезистора имеет вид:

R_B =R_B=0[1+А|иВ|^m],

где u – подвижность носителей заряда; R_B=0– сопро­тивление преобразователя при В = 0; А – магниторезистивный коэффициент, за­висящий от свойств материала и формы преобразователя; т — показатель степени, равный 2 в слабых магнитных полях (В £ 0,2 ¸ 0,5 Тл), для которых uB£ 1, и равный 1 в сильных магнитных полях, для которых uB³ 1.

Как видно из рис. 2-41, а, функция преобразования магниторезисторов является четной, поэтому как в постоянном магнитном поле любой полярности, так и в пере­менном магнитном поле их сопротивление увеличивается. Максимум приращения сопротивления при данном значении магнитной индукции имеет место, если угол между вектором магнитной индукции и осью направленности магниторезистора ра­вен 0 или 180°.

Первые магниторезисторы выполнялись из висмута (висмутовые спирали). В на­стоящее время магниторезисторы изготовляются из полупроводниковых материалов группы А^IIIB^V– антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs) и др., в которых сильно проявляется магниторезистивный эффект вследствие большой подвижности носителей заряда.

а) б) в)

Рис. 2-41

Магниторезистивный коэффициент A зависит от формы магниторезистора. Чем меньше отношение длины резистора к площади его сечения, тем больше коэффи­циент A. В этом отношении оптимальна конструкция в виде диска Корбино (рис. 2-41, б), у которой один электрод укреплен в центре, а другой – в виде обода на окружно­сти.

У такого преобразователя нет граней для концентрации носителей заряда, вслед­ствие чего уменьшается влияние эффекта Холла. Недостатком магниторезисторов в виде дисков Кор­бино и коротких прямоугольных пластинок является их малое на­чальное сопротивление. Для увеличения этого сопротивления магниторезисторы выполняются в ви­де ряда коротких полупроводниковых резисторов, соединенных по­следовательно проводящими слоями (растрами) (рис. 2-41, в). Это позволяет создавать магниторезисторы с сопротивлением несколько килоом при сохранении большого значения коэффициента А.

В последнее время магниторези­сторы выполняют из эвтектического сплава, в котором методом направ­ленной кристаллизации образуются тонкие (d = 1 мкм) иглыиз антимонида никеля (NiSb), которые равномерно распо­лагаются параллельно друг к другу на расстоянии 20–400 мкм в толще полупро­водника. Поскольку удельная проводимость NiSb на 2–3 порядка больше, чем у InSb, то эти иглы выполняют роль проводящих растров высокоомных магниторезисторов.

Основными метрологическими характеристиками магниторезисторов являются начальное сопротивление R₀, которое лежит в пределах от долей ома до десятков ки­лоом, и магниторезистивная чувствительность . Обычно для характери­стики магниторезистивных преобразователей используют зависимости:

,

где .

На рис. 2-42 показано семейство таких зависимостей для четырех магниторезисторов, отличающихся отношением длины резистора к пло­щади его сечения. Наибольшую чувствительность имеет магниторезистор в виде диска Корбино (кривая 4). Ток питания магниторезистора, находящегося в магнит­ном поле с индукцией В₁, должен выбираться значительно меньше началь­ного допустимого тока I₀ (при В = 0), указываемого в таблицах. Значение допусти­мого тока I_B1 определятся по формуле . Начальный ток I₀ для разных типов магниторезисторов лежит в диапазоне 1–100 мА. Рабочий диапазон температур магниторезисторов составляет от –271 до +327 °С. Для работы при низких температурах весьма перспективны магниторезисторы из антимонида индия.

Рис. 2-42

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) магниторезисторов зависит от состава материала, магнитной индукции и температуры. Чем больше чувствитель­ность магниторезистора, тем больше его ТКС. Значения ТКС различных типов маг­ниторезисторов имеют пределы 0,0002–0,012 К^-1

Частотные характеристики магниторезисторов в основном определяются межэлектродными емкостями. У дисков Корбино частотная погрешность меньше, чем у прямоугольных преобразователей, для которых при изменении частоты от 0 до 10 МГц магниторезистивная чувствительность уменьшается на 5 – 10%.

Магниторезистивные преобразователи находят применение в качестве бесконтактных переменных резисторов и делителей напряжения с плавно регулируемым коэффициентом деления, модуляторов ма­лых постоянных токов и напряжений, используются для создания тесламетров для работы при сверхнизких температу­рах и датчиков для измерения ряда не­электрических величин, легко преобразуе­мых в изменение магнитной индукции, и бесконтактного измерения токов.

Магнитодиоды представляют собой диоды с несимметричным р-n-переходом, в котором под действием магнитного поля уменьшается подвижность и концентрация носителей зарядов, вследствие чего уве­личивается прямое сопротивление перехо­да и при заданном токе увеличивается па­дение напряжения на р-n-переходе.

Очевидным преимуществом магнитодиодов является их высокая чувствительность, однако пока такие метрологические характеристики магнитодиодов, какнелинейность и разброс характеристик, чувствительность к температуре, трудность ориентации в магнитном поле, затрудняют их применение для измерения параметров магнитных полей. Магнитодиоды применяются в качестве бесконтактных потенцио­метров, переключателей и реле.