Способ измерения напряженности магнитного поля и устройство для его реализации

СОЮЗ СОВЕТСНИХайжМИЕТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 3/ 04 С ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ТВ Краснститут измерея. М СТ 00 ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВ ЕТ(71) Рижский ордена Трудовогоного Знамени политехническийим. А,Я. Пельше(56) Афанасьев Ю.В. Средствания параметров магнитного полЭнергия, 1979, с. 144-146.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕМАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. 1, 57) 1. Способ измерения напряженности магнитного поля, заключающийся в том, .что измеряют электрический ток, проходящий через полупроводниковую пластину, о т л и -ч а ю щ н й с я тем, что, с цельюрасширения динамического диапазонаизмерения, на.полупроводниковуюпластину, все поверхности которойимеют минимальную скорость рекомбинации, воздействуют градиентнымэлектрическим полем, пропускают токчерез пластину в прямом и в обрат"ном направлениях и по отношению токов определяют напряженность магнитного поля.2. Устройство для измерения напряженности магнитного поля, представляющее собой полупроводниковую пластину с двумя электрическими контактами на торцах, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что полупроводниковая пластина выполнена в виде прямоугольной усеченной пира 19038миды, все поверхности которой имеютминимальную скорость поверхностнойрекомбинации, электрические контактывыполнены плоскими и располагаютсяна боковых поверхностях пирамидыс воэможностью изменения расстояния между плоскостями контактов по высоте пирамиды.1Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для измерения слабых магнитных полей.Цель .изобретения - расширение динамического диапазона измерений.Под динамическим диапазоном ГМР-преобразователя подразумевается такая область величины магнитного поля, при которой отношение измеря- емого сигнала к величине шума остается величиной постоянной.Поставленная цель достигается тем, что при одной и той же средней концентрации электронно-дырочных пар максимальная концентрация у йоверхности пластины уменьшается за счет того, что все поверхности пластины имеют минимальную скорость рекомбинации и пластина помещена в градиентное электрическое поле. На фиг. 1 представлена конструкция устройства для измерения напряженности магнитного поля; на фиг. 2 " электрическая схема включения устройства для измерения напряженности магнитного поля; на фиг. 3 - вольт-амперные характеристики образца в зависимости от напряженности магнитного поля; кривые 1,1 -Н=О, кривые 11, 11 - Н= 1250 Э, кривые Ш, 111 - Н= =5500 Э; на фиг. 4 -. график зависимости относительного распределения электронов и дырок по толщине полупроводниковой пластины от направления силы Лоренца; на фиг, 5 " передаточная характеристика галь" ваномагниторекомбинационного преобразователя (кривая 1) и предлагаемого устройства (кривая 11). 2Простейшая электрическая схемавключения устройства для измерениянапряженности магнитного поля(фиг, 27 содержит источник питания 5 ), регистрирующее устройство 2 иполупроводниковую пластину 3 дляизмерения напряженности магнитногополя.Сущность работы данного способаи устройства заключается в следующем.Если полупроводниковую пластинупоместить в градиентное электрическое поле (в данном устройстве градиентное электрическое поле создается путем выбора геометрической формыпластины, фиг. 1), то дрейфоваяскорость носителей заряда будетразлична по толщине полупроводни ковой пластины. Помещая теперь этупластину в магнитное поле, перпендикулярное электрическому, получаем переменную по толщине пластины силу Лоренца, так как Р= еФНгде е - заряд электрона;Ч - дрейфовая скорость носителейзаряда в ОХ направлении, зависящая от напряженности электрическогополя Н - напряженность магнитногоФ30 поля.В результате действия силы Лоренца происходит перераспределениеэлектронно-дырочных пар по толщинепластины. Если. направление элекЗ 5 трического и магнитного полей выбрать таким, что сила Лоренца будетнаправлена от поверхности у =0,где напряженность электрического поля максимальна, к поверхности 3 =О,где она минимальна, то носители заряда будут локализоваться в областисильного поля и проводимость полу1 190318 проводннковой пластины будет расти,значит, соответственно будет растии сила тока, протекающего через образец. Это приведет к изменениювольт-амперной характеристики пластины (фиг. 3, кривая 11). На фиг. 3кривая 1, 1 представляет собойвольт-амперную характеристику образна в отсутствии магнитного поля.Если направление электрического 10и магнитного полей выбрать таким,что сила Лоренца будет направленаот поверхности у=И, где напряженность электрического поля максимальна, к поверхности=О, где она 15минимальна, то носители будут локализоваться у поверхности =0, чтоприведет к уменьшению проводимости,т.е. уменьшению силы тока через полупроводниковую пластину (фиг. 3, 20кривая Г 1). При увеличении напряжен"ности магнитного поляпроисходитизменение величины силы Лоренца,что приводит к еще большему изменению распределения электронно-дырочных пар, т.е. к еще большему изменению силы тока (фиг. 3, кривые 111,1 П).Распределение электронов и дырокв преобразователе представлено на 30фиг. 4. В отсутствии магнитного поляраспределение электронно-дырочных нарравновесное и представляет собойпрямую линию (фиг. 4, кривая 1,1,При включении магнитного поля в пре 35образователе возникает постояннаяпо толщине полупроводниковой пластины сила Лоренца, которая пере-,распределяет электронно-дырочныепары. Если сила Лоренца направлена 40от поверхности = д к поверхности3=0, то вблизи поверхности = д будет наблюдаться истощение носителейзаряда, а вблизи поверхности у=Ообогащение. Однако, так как поверхность у=4 преобразователя имеет максимальную скорость поверхностнойрекомбинации, то истощить эту по"верхность полностью не удастся,потому что сама поверхность являетсяисточником генерации электронно-дырочных пар. Поверхность =0 преобразователя имеет минимальную скоростьповерхностной рекомбинации, поэтомуу этой поверхности наблюдается увеличение концентрации электроннодырочных пар (фиг, 4, кривая И).При увеличении магнитного поля вели 4чина силы Лоренца тоже увеличивается и носители заряда локализуются у поверхности у=О в узком слое (фиг. 4, кривая 111), причем концентрация может увеличиться на порядок по сравнению с равновесной концентрацией. Увеличение концент" рации электронно-дырочных пар в узком слое у поверхности =О приводит к возникновению нелинейных процессов рекомбинации в этом слое, Это сужает динамический диапазон преобразователя, так как передаточная характеристика такого преобразова" теля будет линейна только в области линейной рекомбинации носителей заряда.В устройстве у поверхности у= д, имеющей максимальную напряженность электрического поля, сила Лоренца, направленная к поверхности 0, будет иметь максимальное значение и, так как поверхность имеет минимальную скорость поверхностной рекомбинации, то концентрация но"сителей заряда уменьшится, что приведет к уменьшению силы тока через образец. У поверхности з=О, имеющей минимальную скорость поверхностной рекомбинации, электроннодырочные пары будут локализоваться в узком слое, однако, так как сила Лоренца на этой поверхности имеет минимальное значение и напряженность электрического поля минимальна, то концентрация носителей заряда у поверхности у=О. уменьшится. Максимальное значение локальной концентрации электроннодырочных пар у поверхностей пластины 0 и Ы будет меньше, чем у прототипа, так как средняя концентрация элек- . тронно-дырочных пар не меняется и максимальное ее значение меньше, чем у прототипа при одних и тех же значениях Ц иХП р и м е р 1. Для измерения напряженности магнитного поля использовали полупроводниковую.пластину, изготовленную из монокристаллического германия с собственной проводимостью р 45 Ом.см при 300 К. Пластина быпа выполнена в виде прямоугольной усеченной пирамиды с переменным расстояниеммежду электрическими контактами.Размеры верхнего основания 3,5 мм,нижнего основания - 6,0 мм, тол 1190318щина 0,2 мм, высота 3 мм, Все гранипластины для получения минимальной.скорости поверхностной рекомбина"ции травились в травителе СР-Ас последующим кипячением в НО.Электрические контакты были созданы путем электролитического осаждения на торцах тонкого слоя никеля,к которому с помощью химически чис Отого олова, припаивалась серебрянаяпроволока. Пластину помещали в магнитное поле, силовые линии которогобыли перпендикулярны силовым линиямэлектрического поля и боковым поверхностям усеченной пирамиды. Попадению напряжения на сопротивлениинагрузки в 1 Ом были получены вольтамперные характеристики, подтверждающие уменьшение и увеличение силы 20тока при отклонении носителеи зарядак поверхностям, имеющим минимальную и максимальную напряженностьэлектрического поля, соответственно.1 25 П р и м е р 2. На этом же образ- це проводились измерения в режиме постоянного тока питания 1 =3 мА. Вольтовая чувствительность была равна 50 мВ/Т. Температурный коэффициент чувствительности в интервале температур 10-35 С не более 0,5 Ж/град. Сопротивление образца 2 КОм. На фиг. 5 кривыми 1, 11 представлены передаточные характеристики гальваномагниторекомбинационного преобразователя и предлагаемого устройства, соответственно. Из графика видно, что применение устройства позволит расширить область измерения магнитных полей до 400 Э.Таким образом, изобретение, сохраняя все преимущества гальваномагниторекомбинационного преобразователя, позволяет расширить динамический диапазон преобразователя в 2 разаи даетвозможность измерять магнитные полянапряженностью до 400 Э.1190318 НИИПИ аж филиал ППП "Патевт",г.Ужгород, ул.Проеден; 4 Ф й Заказ 6976/49Поддиевэе