Магниторезисторы

Магниторезисторы - это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля.

Механизм изменения сопротивления довольно сложен, так как является результа­том одновременного действия большого числа разнообразных факторов. К тому же он неодинаков для разных типов приборов, технологий и материалов. Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как магнитная чув­ствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, термостабильность и быстродействие, диапазон рабочих температур.

Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные».

«Монолитные» магниторезисторы. Принцип действия монолитных магниторезисторов основан на эффекте Гаусса, кото­рый характеризуется возрастанием сопротивления проводника (или полупровод­ника) при помещении его в магнитное поле. Конструкция «монолитного» магниторезистора приведена на рис11.18 .

Подложка

Рис. 11.18. Конструкция «монолитного» магниторезистора

г)

Рис. 11.19. Варианты топологии МЧЭ «монолитных» магниторезисторов

Магниторезистор представляет собой подложку с размещенным на ней магниточувствительным элементом (МЧЭ). Подложка обеспечивает механическую прочность прибора. Элемент приклеен к подложке и защищен снаружи слоем лака. МЧЭ может размещаться в оригинальном или стандартном корпусе и снабжаться ферритовым концентратором магнитного поля или «смещающим» постоянным микромагнитом.

«Монолитные» магниточувствительные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей заряда. К таким материалам относятся антимонид индия (InSb) и его соединения арсенид индия (InAs) и др.

В зависимости от назначения прибора МЧЭ могут иметь различную форму. Наиболее известны МЧЭ прямоугольной формы и имеющие вид меандра (рис. 11.19а

Элементы, показанные на рис. 11.19г, предназначены для использования в магнитоуправляемых устройствах с круговым перемещением источника магнитной индукции. Магниточувствительный элемент, изображенный на рис.ж, представляет собой круговой магниторезистивный мост.

Нагрузочная способность магниторезистора определяется в документации на прибор одним из следующих параметров:

- значением мощности, которую может рассеять магниторезистор Рмакс;

- значением предельно допустимого тока Iмакс;

- значением теплового сопротивления λ.

Рабочее напряжение для магниторезистора (Uп) рассчитывается по формуле:

Uп =√(TмаксЧ TА )Ч λ ЧR (Tмакс ) (11.35)

где λ - тепловое сопротивление конструкции магниторезистора;

Tмакс , TА - максимально допустимая температура прибора и температура окружающей среды;

R (Тмакс) - сопротивление МЧЭ при максимальной температуре.

Из этого выражения для каждого значения температуры окружающей среды можно определить допустимую нагрузку для конкретного типа магниторезисто­ра. Параметр λ обычно определяется экспериментально изготовителем прибора в среде неподвижного воздуха. Значение λ указывается в технической докумен­тации на магниторезистор.

Максимальную мощность Рмакс можно значительно повысить (в 1,5-2 раза) при использовании элементарного теплоотвода, если, например, магниторезистор с обеих сторон привести в плотное соприкосновение с металлическими полюса­ми магнитопровода.

Тонкопленочные магниторезисторы больше подходят для регистрации слабых магнитных полей (до 10-30 мТл), иногда близких к пороговым значениям. При этом следует помнить, что порог чувствительности определяется минимальным уровнем магнитного излучения, регистрируе­мым преобразователем магнитного поля при от­ношении сигнал/шум равном единице. Порог чувствительности характеризуется многими па­раметрами МЧЭ: величиной остаточного напря­жения, уровнем собственных шумов, величиной тока управления и т.д. Значение остаточного на­пряжения зависит от направления и значения тока управления, от температуры элемента.

Температурное изменение чувствительности магниторезисторов на основе ФМП при пита­ют от источника постоянного тока составляет около -0,04% на градус Цельсия, что в 5-10 раз меньше, чем у «монолитных» магниторези­сторов .

Кроме того, при использовании в ограничен­ном динамическом диапазоне (до10 мТл) тонко­пленочные магниторезисторы выгодно отличаются от других преобразователей маг­нитного поля.

На рис.11.21.приведены выходные характеристики различных преобразовате­лей магнитного поля при одинаковом напряжении питания равном 5 В.

Из рис11.21. видно, что при магнитной индукции 5 мТл, соответствующей ли­нейным участкам всех приведенных характеристик, чувствительность тонкопле­ночных магниторезисторов в 5 раз выше чувствительности других магниточувствительных приборов.

Магнитодиоды

Магнитодиод - это полупроводниковый прибор с p-n-переходом и невыпрямляющим контактом (омическим или антизапирающим), между которыми находится область высокоомного полупроводника (рис. 2). Пример внешнего вида магнитодиода показан на рис. 1.

Рис. 1. Магнитодод КД304.

В основе работы магнитодиода лежит магнитодиодный эффект, возникающий при помещении полупроводника с неравновесной проводимостью в магнитное поле B. Магнитодиодный эффект может наблюдаться в любой полупроводниковой структуре, в которой создана положительная или отрицательная неравновесная проводимость.

Рис. 2. Структура магнитодиода.

От обычных полупроводниковых диодов магнитодиод отличается тем, что он изготавливается из высокоомного полупроводника, проводимость которого близка к собственной, а длина базы d в несколько раз больше длины диффузного смещения носителей L. В обычных диодах d меньше L.

На рис. 3 показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) «торцевого» магнитодиода.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика магнитодиода.

В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжение происходит не на p-n-переходе, как в обычном диоде, а на высокоомной базе. Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле B, то произойдёт увеличение сопротивления базы. Это приведёт к уменьшению тока через магнитодиод (см. рис. 3).

Свойства магнитодиодов характеризуются вольтовой и токовой магниточувствительностью.

Вольтовая магниточувствительность γ_U определяется изменением напряжения на магнитодиоде при изменении магнитного поля на 1 мТл и постоянном значении тока через магнитодиод.

Токовая магниточувствительность γ_I определяется изменением тока через магнитодиод при изменении магнитного поля на 1 мТл и при постоянном (неизменном) напряжении на магнитодиоде.

Условное графическое обозначение (УГО) магнитодиода приведено на рис. 4.

Рис. 4. УГО магнитодиода.