Датчик магнитного поля

 

О НИ Е

ИЗОБРЕТЕН Ия

Союз Советских

Социалистических

Республик »680567

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 12.09. 77 (21) 2521633/18-25 с присоединением заявки.% (23) Приоритет (5 4 ) М. Кл.

H 0l L, 43/06 тввулврствениый квинтет

СССР ае калаи кзебретенвй и етхрыткй

Опубликовано 07.07.81. Бюллетень М 2

Дата опубликования описания 1 0 .07 . 8 1 (53) УЙК 621.382 (088.8) (72) Автор изобретения

А. И. Климовская

Институт, полупроводников АН Украинской CCP (71) Заявитель (54) ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к полупроводниковым устройствам, позволяющим исследовать топографию магнитных полей, в частности, в малых объемах, в вычислительной технике для считывания информации с накопителей, а также в устройствах для относительного ориентирования предметов.

Известны датчики магнитного поля, представляющие;собой полупроводнико10 вый брусок, снабженный двумя токовыми контактами и являющиеся магниторезисторами. Магниторезисторы просты в изготовлении, обладают хорошей магниточувствительностью, однако харак15 теризуются нелинейной зависимостью выходного сигнала от магнитного поля.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является датчик магнитного поля, выполненный из примесного полупроводника в форме параллелепипеда, содержащего на торцовых гранях токовые контакты и на двух других параллельных друг другу гранях эондовые контакты, причем рас стояние между гранями с токовыми контактами не менее чем н два раза превышает расстояние между гранями с зондовыми контактами.. Описанный датчик магнитного поля представляет собой датчик Холла.

Принцип действия известного датчика Холла заключается в том, что при прохождении тока через датчик и действии на него магнитного поля, перпендикулярного току, на зондовых контактах возникает электродвижущаяо ся .сила в направлении перпендикулярном току и магнитному полю. Расстояние между токовыми контактами не менее чем в два раза превышает расстояние между эондовыми,чтобы избежать эакорачивающего действия токовых контак гов, а расстояние между зондовыми контактами выбирают, исходя из выражения для вольтовой чувствительности )= 3 Ес,которая определяется удельной чувствительностью

67 4

3 6805

QE@ IE6 являющейся характеристикой материала, где Е -напряженность поля Холла, Š— напряженность приложенного электрического поля, Вмагнитная индукция, а — расстояние между зондовыми контактами.

Датчики Холла просты в изготовлении, обладают линейной зависимостью от магнитного поля измеряемой электродвижущей силы, что является 10 их преимуществом перед другими датчиками магнитного поля. Однако возможности применения таких датчиков. ограничены. Они малопригодны для изучения топографии магнитных полей в малых объемах, для считывания информации с магнитных накопителей в электронных вычислительных машинах, а также при измерении быстроменяющихся полей. Это связано с тем, что 20 датчики малых размеров обладают малой вольтовой чувствительностью.

Целью изобретения является повышение удельной чувствительности датчика к магнитному пойю, 25

Цель достигается тем, что расстояние между гранями с зондовыми контактами выполнено сравнимым с длиной энергетической релаксации носителей.

Выполнение этого условия приводИт 30. к нарушению равновесного распределения носителей по характерному параметру в присутствии электрического и магнитного полей и возникновению добавочного приповерхностного поля 55

Холла, следовательно к увеличению удельной чувствительности. кои релаксации.

Движение свободных носителей заряда в примесных полупроводниках можно описать набором характерных длин, а именно, длиной свободного пробега по импульсу, длиной энергети.ческой релаксации, длиной внутридолинного пробега, длиной спиновой релаксации. Смысл этих длин состоит в том, что после соударения, например с дефектом кристалла, носитель на характерной длине не изменяет свой характерный параметр, т.е, импульс энергию, номер длины и спин. Ограничивающие полупроводниковый образец поверхности являются тем дефектом, подходя к которому носители рассеиваются, т.е. изменяют все свои характерные параметры. Поэтому отражаясь от поверхности, в слое, равном соответствующей характерной длине, они двигаются без изменения характерного параметра, Сила Лоренца, являющаяся функцией характерного параметра, по разному отклоняет носители с разными характерными параметрами, в результате чего в приповерхностном слое, где носители не изменяют свой характерный параметр, возникает градиент концентрации носителей с постоянным характерным параметром.

Возникновение градиента равносильно появлению добавочного поля Холла.

Теоретическое и экспериментальное исследование приповерхностного поля Холла для случая больших градиентов концентрации носителей с постоянным параметром, показывает, что добавочное поле может во много раз превосходить поле Холла в объеме образца. По достижении расстояния между холловскими контактами, лежащими на взаимно параллельных ограничивающих поверхностях, величины сравнимой с одной из характерных длин свободных носителей в полупроводнике, увеличивается роль приповерхкостных слоев, в которых поле Холда превышает поле в объеме полупроводника,что позволяет увеличить удельную чувствительность датчика, На чертеже показан предлагаемый датчик магнитного поля.

Датчик представляет собой параллелепипед 1 из примесного полупроводника, снабженный двумя токовыми 2,3 и двумя зондовыми 4,5 контактами, расположенными на ограничивающих поверхностях параллелепипеда. При этом расстояние а между зондовыми контактами выполнено сравнимым с одной из характерных длин свободных носителей заряда в примесной по-|упроводнике, например с длиной энергетичесПример. Датчик магнитного поля выполнен из электронного антимонида индия. При 4 2 К концентрация о свободных носителей и подвижность сооуветственноравны 2,3 ° 10 см и

1170 см В.с. Длина энергетической 1 релаксации больше или равна 15 ° 10Г см

-1 -1

Датчик имеет размеры 2 ° 10 х 10 хб 10

3 Ъ см, где 6 F10 см — расстояние между зондовыми контактами. При 4,2ОК удельная чувствительность датчика составляет 2,12 ° 10 T, а вольтовая чувствительность 2,55 10 В/Т. В то же время в датчике, выполненном из того же материала в тех же усФормула изобретения

5 6805 ловиях, но имеющем расстояние между зондовыми контактами 1/10 см, удельная и вольтовая чувствительности cQответственно равны 0,27 1О Т и,5,4 ° 10

В/Т, Измерение чувствительности производится в магнитном поле от 0,01 до 0,05 Т.

Предлагаемый датчик магнитного поля прост в изготовлении и имеет линейную зависимость измеряемой ве- 1О личины от напряженности магнитного поля. Преимуществом предлагаемого датчика перед известными является высокая удельная чувствительность при малых размерах. Датчики магнитного 15 поля предлагаемой конструкции могут иметь рабочий объем порядка 10Г см

И что связано с величинами характерных длин свободных носителей в полупроводнике. Малые размеры датчика поз- 20 воляют использовать его для измерения топографии магнитных -полей, а также для измерения быстроменяющихся полей (с частотами больше. 10 кГп).

Использование предлагаемого датчика 25

67 6 в батарее, соединенных между собой датчиков, например в интегральной схеме, позволяет получить более высокую чувствительность при малых общих размерах датчика.

Датчик магнитного поля, выполненный из примесного полупроводника в форме параллелепипеда, содержащего на торцовых гранях токбвые контакты и на двух других параллельных друг другу гранях зондовые контакты, причем расстояние между гранями с токовыми контактами не менее чем в два раза превышает расстояние между гранями с зондовыми контактами, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения удельной чувствительности датчика к магнитному полю, расстояние между гранями с зондовыми контактами выполнено сравнимым с длиной энергетической релаксации носителей.

ВНИИПИ Заказ 4548/16 Типаж 784 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4