В настоящее время для создания магниторезисторов наиболее широко используется антимонид индия, причем на поверхность наносятся, как правило, металлические полоски. Широко применяются магниторезисторы из упоминавшегося выше InSb + NiSb. В последнее время предложено использовать твердый раствор (HgTe)1-x + СdТеx. В зависимости от состава и температуры в этом твердом растворе меняется ширина запрещенной зоны и подвижность носителей. Наибольшей подвижностью обладают полупроводники с нулевой запрещенной зоной. Поскольку эффект магнитосопротивления тем больше, чем выше подвижность, то для создания магниторезисторов наиболее перспективно использование бесщелевых составов. Поэтому состав твердого раствора необходимо выбирать в зависимости от требуемой рабочей температуры. Магниточувствительность магниторезисторов из теллуридов кадмия и ртути при всех температурах получается более высокой, чем магниторезисторов из антимонида индия. Однако сопротивление образца без магнитного поля оказывается в них меньше, что несколько осложняет их практическое использование. Для повышения начального сопротивления магниторезисторы изготавливаются в виде змейки. При малых магнитных полях эффект магнитосопротивления квадратичен относительно индукции поля, а при больших становится линейным.
При отсутствии магнитного поля ток в таком магниторезисторе проходит в радиальном направлении от центра диска ко второму электроду, расположенному по периметру диска, или наоборот. Под действием магнитного поля носители заряда отклоняются в направлении, перпендикулярном радиусу. Так как не существует граней, на которых может происходить накопление зарядов, то ЭДС Холла в таком магниторезисторе не возникает.
Другой конструкцией магниторезистора является пластинка полупроводника, ширина которой много больше ее длины (рис.26). Однако существенным недостатком магниторезистора такой конструкции является его малое сопротивление, для увеличения которого применяют последовательное соединение нескольких магниторезисторов или нанесение на поверхность пластины полупроводника металлических полос (рис.2в). Каждая часть пластины полупроводника между двумя металлическими полосами представляет собой отдельный магниторезистор. Можно также считать, что металлические полосы выполняют роль шунтов, уменьшающих ЭДС Холла, возникающую на боковых гранях пластины полупроводника.
Рис. 2. Различные конструкции магниторезисторов:
а - магниторезистор в виде диска Корбино; б — магниторезистор, изготовленный из пластинки полупроводника с малой длиной, в — магниторезистор из пластинки или пленки полупроводника с поперечными металлическими полосками на поверхности
Основным полупроводниковым материалом для магниторезисторов является антимонид индия InSb и арсенид индия InAs - материалы с большой подвижностью носителей заряда.
Магнитодиоды.
Магнитодиод - это полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт - амперной характеристики под действием магнитного поля.
Сопротивление диода с тонкой базой под действием магнитного поля изменяется только в результате изменения подвижности неосновных носителей заряда в базе диода. Изменение тока, проходящего через диод с тонкой базой, или изменение его сопротивления в магнитном поле значительно меньше, чем в магниторезисторе. Таким образом, диоды с тонкой базой нецелесообразно использовать в качестве магниточувствительных полупроводниковых приборов - магнитодиодов.
В диодах с толстой базой прямое напряжение, приложенное к диоду, распределяется между р - n - переходом и сопротивлением базы диода:
. (12)
Сопротивление базы диода увеличивается в поперечном магнитном поле в результате уменьшения подвижности основных и неосновных носителей заряда, как и в обычном магниторезисторе. Увеличение сопротивления базы диода с толстой базой может быть связано также с уменьшением времени жизни неосновных носителей, если из-за искривления траектории движения неосновные носители будут достигать поверхности базовой области, где велика скорость их рекомбинации.
В результате увеличения сопротивления базы прямое напряжение, приложенное к диоду с толстой базой, перераспределяется: уменьшается доля напряжения, приходящаяся на р - n - переход. Этот процесс приводит к резкому уменьшению тока, проходящего через диод, так как этот ток связан экспоненциальной зависимостью с напряжением на р - n - переходе. Кроме того, ток, проходящий через р-n - переход, уменьшается из-за уменьшения тока насыщения, как и в диоде с тонкой базой.
Таким образом, диод с толстой базой может быть использован в качестве магнитодиода при соответствующем выборе геометрических размеров базы диода и электрофизических параметров исходного материала. Обычно магнитодиоды изготовляют с толщиной базы, соответствующей нескольким диффузионным длинам неосновных носителей, т. е. толщиной в несколько миллиметров. Полупроводниковый материал базы, так же как и для магниторезисторов, должен обладать большой подвижностью носителей заряда. Этим требованиям удовлетворяют германий и кремний.
Прямые ветви ВАХ германиевого магнитодиода в магнитных полях с различной магнитной индукцией показаны на рис.4. Для оценки чувствительности магнитодиода к магнитному полю, по аналогии с преобразователями Холла, используют вольтовую магниточувствительность. Она равна отношению изменения напряжения на образце к произведению тока через него и изменения индукции магнитного поля, приведшего к данному изменению напряжения:
В германиевых и кремниевых магнитодиодах 
.
Вольтовая чувствительность магнитодиодов может быть значительно выше вольтовой чувствительности преобразователей Холла из того же материала.
Рис.3. Структура магнитодиода с областью высокой скорости рекомбинации S на одной грани.
Рис.4. Влияние магнитного поля на вольт - амперные характеристики длинного диода (а) и S - диода (б) в прямом смещении при В3 > В2 >В1.
Порядок выполнения работы.
В работе используется стенд по физике полупроводников СФП-5, предназначенный для измерения электрофизических параметров полупроводниковых материалов и универсальная измерительная головка (УИГ), содержащая образец германия n-типа, расстояние между зондами 15 мм, размеры образца 20х3х2,5 мм. УИГ состоит из германиевого образца, на котором располагаются два миниатюрных электронагревателя. Первый служит для относительно равномерного нагрева, а второй – для создания разности температур (см. рис.6).
Рис.6. Образец для изучения магнитосопротивления с контактами.
Термопары Т1 и Т2 служат для определения усредненной температуры при равномерном нагреве, а также для измерения разности температур.
Кроме того, один проводник термопары используется как токопроводящий при наблюдении эффекта Холла и снятии зависимости электропроводности от температуры.
В первом случае ЭДС Холла снимается с 1-го и 3-го вольфрамового зондов, во втором – с 1-го и 2-го.
В работе также используется цифровой вольтметр В7-16 (В7- 40), либо другой с Rвх ? 10 мОм и пределами измерения U от 0,05 мВ до 10 В.
УИГ помещают между полюсными наконечниками электромагнита. К клеммам “-“ и “U” панели блока управления подключается вольтметр В7-16. Через образец пропускают ток, для этого переключатель П3 устанавливают в положение “Uхол.”, П2 – “Выкл.”, ручками “Ток образца” устанавливают необходимое значение тока. Измеряют паразитную ЭДС между холловскими зондами образца при различной полярности тока. Включают электромагнит, напряженность магнитного поля которого регулируется потенциометром “Ток магнита” и измеряют значение ЭДС Холла при различных направлениях магнитного поля, полярности и величины тока образца, а также при нескольких значениях тока магнита. Установить тумблер «Нагрев образца» в нейтральное положение. Измерить сопротивление R и рассчитать удельное сопротивление ? в зависимости от величины напряженности магнитного поля Н. Удельное сопротивление образца германия ? = 0,195 Ом м при комнатной температуре. Так как германий относится к слабо магнитным материалам, то при расчетах принять? = 1.
Для исключения влияния паразитной разности потенциалов, возникающей за счет несимметричного расположения поперечных зондов необходимо проводить измерения (VX) при двух полярностях магнитного поля, меняя направление тока через обмотку электромагнита. Исходя из полученных значений UН, и размеров образца легко рассчитать концентрацию носителей заряда 
(13)
коэффициент Холла по формуле
(14)
подвижность носителей заряда
. (15)
. Рассчитать относительное изменение удельного сопротивления по формуле (10). Таблица 1.
№№ | IМ, А | H, эрстед | B, Тл | ?, Ом см |
| n | ? | ? |
Контрольные вопросы
Что такое сила Лоренца? Запишите формулу. Что такое угол Холла и от чего он зависит? Что такое магниторезистивный эффект? Что такое вольтовая магниточувствительность? Запишите формулу. Почему вольтовая чувствительность преобразователей Холла, изготовленных из материала с большой подвижностью носителей заряда, оказывается иногда меньше, чем вольтовая чувствительность таких же преобразователей из материала с меньшей подвижностью носителей? Какую конструкцию должны иметь магниторезисторы? Какие диоды можно использовать в качестве магнитодиодов?
Литература
, - Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 5-е изд., испр. - СПб.: Издательство «Лань», 2001, 480 с. , - Физика полупроводниковых приборов. – 2-.е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990 г., 264 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Некоторые физические постоянные
Электрическая постоянная ?0 = 8,854 * 10 12 Ф/м
Магнитная постоянная ?0 = 4? * 10 -7 Гн/м
Масса покоя электрона т0 = 9,109 * 10-31 кг
Заряд электрона е = 1,602*10 -19 Кл
Скорость света с = 2,998 * 108м/с
Число Авогадро NА = 6,022 * 1026 кмоль-1 = 6,022 * 1023 моль-1
Постоянная Планка h = 6,62 * 10-34 Дж* с = 4,14 * 10-15 эВ* с
Постоянная Больцмана k = 1,38 * 10-23 Дж/К = 8,62 * 10-5 эВ/К
Число Лоренца L0 = 2,45 * 10-8 В2 *К2
Универсальная газовая постоянная R = 8,314 Дж* моль-1 *К-1
1 эВ = 1,602 * 10-19 Дж
1 эрстед = 103/4? А/м
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
