Датчик магнитного поля

О Н-И Е ИЗОБРЕТЕН Ия Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик в 680567 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 12.09. 77 (21) 2521633/18-25с присоединением заявки геН 01 , 43/06 тввударствениый квинтет СССР ао лелаи кзебретенвй и етхрыткй(72) Автор изобретения А. И. Климовская Институт, полупроводников АН Украинской ССР(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 полупроводнико 1 О вый брусок, снабженный двумя токовыми контавтами и являющиеся магниторезисторами. Магниторезисторы просты в изготовлении, обладают хорошей магниточувствительностью, однако харак 15 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 наторцовых гранях токовые контакты и на двух других параллельных друг другу гранях эондовые контакты, причем уасстояние между гранями с токовымиконтактами не менее чем н два разапревышает расстояние между гранямис зондовыми контактамиОписанный 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 контакгов, а расстояние между зондовыми контактами выбирают, исходя из выражения для вольтовой чувствительностиЪ Ес 1,которая опреде- ляется удельной чувствительностью67 4 3 6805 ф=Е 1 ЕЬ являющейся характеристикой материала, где Е -напряженность поля Холла, Е - напряженность приложенного электрического поля, В- магнитная 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 15 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 пойо, 25Цель достигается тем, что расстояние междугранями 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 35 Холла, следовательно к увеличению удельной чувствительности. кои релаксации. 5055 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 парамет, т.е, импульсэнергию, 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 объемеобразца, По достижении расстояниямежду холловскими контактами, лежащими на взаимно параллельных ограничивающих поверхностях, величины сравнимой с одной из характерных длинсвободных 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 этомрасстояние а между зондовыми контактами выполнено сравнимым с однойиз характерных длин свободных носителей заряда в примесной по:упроводнике, например с длиной энергетичесП р и м е р. Датчик магнитного поля выполнен из электронного антимонида индия, При 412 К концентрацияосвободных носителей и подвижность соответственно равны 2,310 см и 1170 см В.с. Длина энергетической, релаксации больше или равна 1510 см-1 Датчик имеет размеры 210 х 10 хб 103 Ъсм, где 610 см - расстояние между зондовыми контактами, При 4,2 ОК удельная чувствительность датчика составляет 2,1210 Т , 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 соответственно равны 0,27 1 О Т и 5,410 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 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 1(Г смИ что связано с величинами характерных длин свободных носителей в полупроводнике, Малые размеры датчика поз воляют использовать его для измерения топографии магнитных полей, а также для измерения быстроменяющихся полей (с частотами больше. 10 кГп/. Использование предлагаемого датчика 25 67 6в 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 токовые 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 щ и й с я тем, что, с целью повышения удельной чувствительности датчика к магнитному полю, расстояние между гранями с зондовыми контактами выполнено сравнимым с длиной энергетической релаксации носителей.