Реферат - Магниторезистивный эффект - магниторезисторы - файл n1.docx

Реферат - Магниторезистивный эффект - магниторезисторы
скачать (676 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx677kb.21.10.2012 18:05скачать

n1.docx

Федеральное агентство по образованию

Российской Федерации

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

Кафедра «Радиоэлектроника информационных систем»

Оценка работы____________

Преподаватель____________

Магниторезистивный эффект – магниторезисторы

Реферат

по дисциплине «Физические основы электроники»
Подпись Дата Фамилия
Преподаватель Филатова Т. И.
Студент ___________________________________ Курбанов Р. В.
Группа Р-18061


Екатеринбург

2009
Аннотация
В данном реферате представлена информация о магниторезистивном эффекте, пояснена сущность и модель магнетосопротивления. Также приведены основные характеристики вышеуказанного физического эффекта.

В работе описаны материалы, которые применяются для изготовления приборов, использующих магниторезистивный эффект, устройство магниторезисторов, принцип их работы, их параметры, характеристики, классификация, а также область их применения и перспективы развития.

Описание сущности и модели физического эффекта


Магниторезистивный эффект (магнетосопротивление) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле.

Изменение сопротивления полупроводника в магнитном поле пропор-

ционально квадрату подвижности носителей тока



;
где с – коэффициент пропорциональности, связанный с рассеянием носителей заряда.

Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает этот эффект и вещество переходит в нормальное состояние, в котором наблюдается сопротивление. В нормальных металлах эффект магнетосопротивления выражен слабее. В полупроводниках относительное изменение сопротивления может быть в 100—10 000 раз больше, чем в металлах, и может достигать сотен тысяч процентов.

Магнетосопротивление вещества зависит и от ориентации образца относительно магнитного поля. Это связано с тем, что магнитное поле не изменяет проекцию скорости частиц на направление магнитного поля, но благодаря силе Лоренца закручивает траектории в плоскости перпендикулярной магнитному полю. Это объясняет, почему поперечное поле действует сильнее продольного. Здесь речь пойдёт в основном о поперечном магнетосопротивлении двумерных систем, когда магнитное поле ориентировано перпендикулярно к плоскости движения частиц.


Основные характеристики физического эффекта

Качественно понять это явление можно, если рассмотреть траектории положительно заряженных частиц (например, дырок) в магнитном поле. Пусть через образец проходит ток j вдоль оси X. Частицы обладают тепловой скоростью или если дырочный газ вырожден, то средняя скорость частиц равна скорости частиц на уровне Ферми, которые должны быть много больше скорости их направленного движения (дрейфа). Без магнитного поля носители заряда движутся прямолинейно между двумя столкновениями.

Во внешнем магнитном поле B (перпендикулярного току) траектория будет представлять собой в неограниченном образце участок циклоиды длиной l (длина свободного пробега), и за время свободного пробега (время между двумя столкновениями) вдоль поля E частица пройдет путь меньший, чем l, а именно

l_x \approx l\cos\phi \approx l (1-\frac{\mu^2b^2}{2}). \qquad (1.1)

Поскольку за время свободного пробега ? частица проходит меньший путь вдоль поля E, то это равносильно уменьшению дрейфовой скорости, или подвижности, а тем самым и проводимости дырочного газа, то есть сопротивление должно возрастать. Разницу между сопротивлением при конечном магнитном поле и сопротивлением в отсутствие магнитного поля принято называть магнетосопротивлением.

Также удобно рассматривать не изменение полного сопротивления, а локальную характеристику проводника — удельное сопротивление в магнитном поле ?(B) и без магнитного поля ? (0). При учете статистического разброса времен (и длин) свободного пробега, получим

\delta\rho(b) = \rho(b)-\rho(0)= \rho(0)\mu^2b^2, \qquad (1.2)

где ? — подвижность заряженных частиц, а магнитное поле предполагается малым \mu b\ll 1. Это приводит к положительному магнетосопротивлению. В трёхмерных ограниченных образцах на боковых гранях возникает разность потенциалов, благодаря эффекту Холла в результате чего носители заряда движутся прямолинейно, поэтому магнетосопротивление с этой точки зрения должно отсутствовать. На самом деле оно имеет место и в этом случае, поскольку холлово поле компенсирует действие магнитного поля лишь в среднем, как если бы все носители заряда двигались с одной и той же (дрейфовой) скоростью. Однако скорости электронов могут быть различны, поэтому на частицы, движущиеся со скоростями, большими средней скорости, сильнее действует магнитное поле, чем холлово. Наоборот, более медленные частицы отклоняются под действием превалирующего холлова поля. В результате разброса частиц по скоростям уменьшается вклад в проводимость быстрых и медленных носителей заряда, что приводит к увеличению сопротивления, но в значительно меньшей степени, чем в неограниченном образце.
В модели Друде уравнение для дрейфовой скорости vd частицы (для простоты рассмотрим дырку) в электрическом и магнитных полях имеет вид:

6dfd3bc25a3a99ae36d9f3a71e703171.png

где m — эффективная масса дырки, e — элементарный заряд, ? — время релаксации по импульсам (время между столкновениями, когда происходит существенное изменение импульса). Решение этого уравнения можно искать в виде суммы трёх векторов, которые определяют базис трёхмерного пространства.

2754aaa0e5effbab6815fcc5500cb049.png

Здесь ai — искомые коэффициенты. Если подставить это выражение в исходное (2.1) получим
e72ffd13a6e67f2d430ffc7c12e8e5ea.png
Используя формулу двойного векторного произведения
c588d1ca3ef5a92203d5c9e9b38c1aa7.png
приведём выражение (2.3) к следующему виду:
0805fc234118d7d756c7fd46e2ca8690.png
собрав коэффициенты при базисных векторах. Приравняв коэффициенты при базисных векторах нулю найдём значения
0c3aee4d6f6e946699e0f0485323973b.png 903b05247e498c1116d9e24d6bd3f2a2.png

0805fc234118d7d756c7fd46e2ca8690.png
Ток и дрейфовая скорость связана соотношением
5853b9d566c02d20de88a6baac02dba0.png
где n — концентрация электронов участвующих в проводимости. Выразим проводимость через подвижность
87e59a1a5f6cbcef29f2da9d6d495cf4.png 7bc152feed833c373079bd85264843c4.png


Теперь, зная дрейфовую скорость, запишем общее выражение для плотности тока
7bc152feed833c373079bd85264843c4.png

Используемые материалы и устройство приборов, реализующих физический эффект

Техническое использование эффекта Гаусса выдвигает качественные требования к полупроводниковым материалам. Основными из них являются:

1) сочетание большой подвижности носителей тока с минимальными температурными зависимостями; 2) высокое удельное сопротивление; 3) получение линейной зависимости сопротивления магниторезистора от напряженности магнитного поля и тока при возможно меньших значениях индукции подмагничивающего поля; 4) отсутствие выпрямляющего эффекта на контактах полупроводника с металлическими токоподводами; 5) технологичность изготовления и достижимая механическая прочность преобразователей; 6) стабильность свойств полупроводникового материала.

Ни один из известных материалов не отвечает в полной мере всем перечисленным выше требованиям. Поэтому выбор материала в значительной степени определяется областью применения магниторезисторов. Наиболее известные в настоящее время полупроводники, используемые для изготовления магниторезисторов, представлены в табл. 1.

snap_2009.06.07 18.43.47_003.png

snap_2009.06.07 18.42.06_002.png

Высокую подвижность носителей тока имеют: антимонид индия (InSb) и арсенид индия (InAs), эвтектические сплавы типа InSb — NiSb и InSb — GaSb, а также германий (Ge), теллурий (HgTe) и селенид (HgSe) ртути, антимонид (GaSb) и арсенид (GaAs) галлия. Из таблицы видно, что увеличение концентрации носителей тока ведет к уменьшению температурного коэффициента сопротивления. Антимонид индия является одним из лучших полупроводниковых материалов для изготовления магниторезисторов. Подвижность электронов этого материала достигает 100 000 см2-1сек-1. Благодаря этому наблюдается сильная зависимость сопротивления магниторезистора от величины магнитного поля. Из-за высокой подвижности электронов магнитные поля с индукцией выше 0,3 тл для антимонида индия являются сильными, и кривая зависимости удельного сопротивления полупроводника в полях с более высокой индукцией становится линейной. При соответствующем выборе материала могут быть изготовлены магниторезисторы с высокой чувствительностью к магнитному полю и малой температурной зависимостью. Эвтектические сплавы на основе антимонида индия обладают свойствами, аналогичными свойствам InSb. Так, например, магниторезисторы в форме меандра из InSb с n=1,5*1017 см и начальным сопротивлением Ro=20 ом имеют относительное изменение сопротивления около 6 в поле с индукцией В=1тл и температурный коэффициент сопротивления 0,02—0,05 проц/град. Изменение сопротивления меандра из антимонида индия с высокой подвижностью носителей тока при комнатной температуре в указанном выше поле может достигать 25—28. Арсенид индия обладает подвижностью носителей тока до 36 000 см2-1*сек-1 и соответственно меньшей зависимостью сопротивления от магнитного поля. Достоинством арсенида индия является слабая зависимость электропроводности от температуры. Подвижности носителей тока остальных полупроводниковых материалов, представленных в табл. 1, ниже 15000 см2-1*сек-1, и эти материалы используются при создании магниторезисторов, работающих в специфических условиях, как, например, при низких или высоких температурах и т. д. Эффект Гаусса максимален у полупроводниковых материалов с большими подвижностями носителей тока, но такие материалы, как правило, обладают малым удельным сопротивлением, поэтому, чтобы повысить омическое сопротивление магниторезисторов, их необходимо делать в виде тонких нитей. Примером могут быть «висмутовые спирали» магниторезисторов, используемые для измерения сильных магнитных полей. Полупроводниковый магниторезистор обычно имеет изоляционную подложку толщиной 0,1—0,5 мм, на которую наклеен слой вещества толщиной около 20 мкм. К полупроводниковой пластине подпаиваются или привариваются токоподводы. Часто для увеличения активного сопротивления и получения небольших габаритов магниторезистора полупроводниковая пластина изготовляется в форме меандра. Принципиальный вид магниторезистора представлен на рис. 1, а. При такой конструктивной форме можно путем изменения длины, ширины и толщины отдельных участков меандра, а также путем выбора полупроводникового материала варьировать сопротивлением магниторезистора при отсутствии магнитного поля в широких пределах — от десятых долей ома до десятков килоом. Как известно, коэффициент формы длинного полупроводникового магниторезистора очень мал из-за разности потенциалов Холла, возникающих на боковых гранях. Поэтому полупроводниковую пластину разделяют рядом поперечных проводящих полос. Это равносильно последовательному соединению ряда коротких магниторезисторов. Расстояние между нанесенными проводящими полосами должно быть в 4—5 раз меньше ширины полупроводниковой пластины. Общий вид магниторезистора с поперечными полосами показан на рис. 1, б. Коэффициент формы у такого магниторезистора равен 0,9—0,95. В настоящее время разработаны эвтектические сплавы полупроводниковых материалов InSb—NiSb. В таких полупроводниках полосы образуются в процессе роста кристалла. Так, например, эвтектический сплав InSb—NiSb содержит 1,8% по весу NiSb в форме параллельных иголок диаметром приблизительно 1 мкм и длиной 50 мкм. При изготовлении из таких сплавов магниторезисторов отпадает необходимость пайки проводящих поперечных полос. Процесс изготовления преобразователя становится более технологичным. На рис. 1, в изображен эвтектический сплав InSb— NiSb в разрезе при 200-кратном увеличении. Слева показан разрез параллельно иголкам, справа — перпендикулярно. Иголки из NiSb в пластине магниторезистора надо располагать перпендикулярно вектору магнитного поля, воздействующего на преобразователь. Это необходимо учитывать при вырезании полупроводниковой пластины из кристалла. Смысл сказанного ясен из рис. 1, г, где изображены магниторезисторы, изготовленные из эвтектического сплава. Силовые линии измеряемых магнитных полей направлены параллельно плоскости пластины магниторезистора и перпендикулярно ей. Первый тип преобразователей служит для измерения осевых полей в электрических катушках. Коэффициент относительного изменения сопротивления таких магниторезисторов лишь на несколько процентов меньше, чем для диска Корбино. В ряде случаев практического использования эфекта Гаусса, например при измерении градиента поля, необходимы многоэлектродные магниторезисторы. Принципиальный вид преобразователя с тремя электродами изображен на рис. 1, д. У него две полупроводниковые пластины наклеены на подложку параллельно друг другу на расстоянии 0,1—0,2 мм. Один электрод общий.

snap_2009.06.07 19.42.45_002.png

Рис. 1. Конструкция магниторезисторов: а — магниторезистор с полупроводниковой пластиной в форме меандра; б — магниторезистор с поперечными проводящими полосами на полупроводниковой пластине; в — эвтектический сплав InSb—NiSb в разрезе при 200-кратном увеличении; г — магниторезисторы из эвтектического вещества для измерения осевых полей в электрических катушках и в зазорах магнитопроводов; д — дифференциальный преобразователь; е — дифференциальная мостовая схема на магниторезисторах

На рис. 1, е показана дифференциальная мостовая схема на магниторезисторах. Схема изготовлена на одной подложке, что уменьшает температурную погрешность и разброс параметров материала плеч моста. Площадь изоляционной подложки 30 мм2. Такие преобразователи используются в измерителях малых перемещений. При смещении магниторезистора в магнитной системе, например, типа квадрупольной приращения магнитных потоков, воздействующих на смежные плечи моста, противоположны по знаку. Магниторезисторы, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют полупроводниковую пластину толщиной до нескольких миллиметров. Пластина чаще всего спаивается из отдельных секций по торцевым плоскостям. По существу это равносильно последовательному соединению нескольких коротких магниторезисторов. Часто между секциями впаиваются медные пластины, что способствует лучшему теплоотводу. Подложка у мощных магниторезисторов применяется редко. Для увеличения абсолютного изменения сопротивления используют последовательно соединенные магниторезисторы. Компактная конструкция при последовательном соединении дисков Корбино получается, если первую пару дисков, разделенную тонким диэлектриком, соединить общим кольцевым электродом, припаянным к окружности дисков. Связь с третьим диском осуществляется с помощью центрального электрода. Для использования в магнитопроводах с кольцевым зазором магниторезистор изготовляют трубчатой формы с электродами, расположенными на торцах.
Основные характеристики приборов

Наиболее полная номенклатура полупроводниковых магниторезисторов представлена фирмой «Сименс». Магниторезисторы именуются Feldplatten. При магнитной индукции до 0,3 тл зависимость сопротивления квадратичная и при более высокой индукции— линейная. Температурный коэффициент сопротивления магниторезисторов отрицательный и возрастает с повышением магнитной индукции. Максимальная рабочая температура Тmах = 368° К. Основные характеристики магниторезисторов приведены в табл. 2, где заглавными латинскими буквами обозначено следующее: FP—Feldplatten; D—магниторезисторы с максимальной чувствительностью к магнитному полю Rb/Ro—max; L — магниторезисторы со средней чувствительностью к магнитному полю при малом температурном коэффициенте; Р —высокая нагрузочная способность и чувствительность, малый температурный коэффициент; V — изготовлены из арсенида индия; Т — слабая зависимость электропроводности от температуры. Материалом чувствительных пластин для всех типов магниторезисторов, кроме V, служит эвтектический сплав антимонида индия и никеля (InSb—NiSb).

snap_2009.06.07 21.36.17_003.png

В качестве подложки используются пластины из феррита или керамики. В табл. 2 представлен ряд специальных преобразователей. Из них FP17L100F предназначены для использования в замкнутых магнитопроводах, имеют ферритовые концентраторы; FP32L10 — используются как зонды для измерения градиентов магнитного поля, имеют две полупроводниковые пластины, расположенные на расстоянии 2 мм друг от друга; FP15V1—для измерения осевых магнитных полей при низких температурах, до 4,2° К; FP20T47 — для измерения магнитных полей, когда требуется минимальный температурный коэффициент сопротивления. Разработанные в СКВ Института полупроводников АН СССР магниторезисторы на основе полупроводниковых материалов антимонида и арсенида индия имеют следующие характеристики:

snap_2009.06.07 21.51.59_005.png

Основные параметры приборов

Основными параметрами магниторезисторов являются: начальное со-противление R0 при В=0, магниторезистивное отношение RВ/R0, представ-ляющее собой отношение сопротивления магниторезистора при определен-ном значении магнитной индукции (обычно 0,3 и 1,0 Тл) к начальному со-противлению, магнитная чувствительность ?mp, определяемая как относи-тельное приращение сопротивления, деленное на соответствующее прираще-ние магнитной индукции ?R/R?B, и нагрузочная способность, определяемая предельным значением температуры перегрева, который допускается для магниторезистора. Нагрузочная способность указывается в паспорте либо в виде значений рассеиваемой мощности Р, либо в виде предельно допустимого тока Imax, либо как тепловое сопротивление

snap_2009.06.07 22.26.37_014.png

где Р - мощность, выделяемая в магниторезисторе; tmax - максимально допустимая температура резистора; tокр- температура окружающей среды. При определении нагрузочной способности магниторезистора при по-стоянном токе исходят из максимального значения сопротивления Rb (т.е. при Bmax ), а при постоянном питающем напряжении - из минимального зна-чения сопротивления R0 при B=0. При работе на переменном токе магнито-резистивный эффект не зависит от частоты вплоть до значений 10 ГГц. В случае наклейки магниторезисторов на металлическую подложку возможны возникновения токов Фуко, поэтому при высоких частотах применяется подложка из феррита.

Сведения о двух, трех конкретных приборах

На рис. 2 приведен внешний вид тонкопленочных магниторезисторов Ав-1 и Ав-2 отечественного производства.

snap_2009.06.08 00.12.40_015.png

Рис. 2

Подложкой для обоих приборов служит полированное стекло толщиной 0,8 мм. Магниточувствительный элемент магниторезистора Ав-1 выполнен из сплава никель-кобальт в виде меандра с шириной 10 мкм, толщиной до 3000 ангстрем. МЧЭ магниторезистора Ав-2 выполнен из сплава никель-железо в виде меандра с шириной 20 мкм, толщиной до 1000 A. Для смещения энергетической характеристики магниторезистор Ав-1 снабжен активным концентратором, представляющим собой миниатюрный постоянный магнит из феррита бария. Кроме того, магниторезистор Ав-1 содержит два магниточувствительных элемента, включенных последовательно с отводом от середины (так называемый. «полумост»), что позволяет включать прибор непосредственно в схему моста в качестве дифференциального элемента. Основным параметром магниторезисторов на основе «пленочных» МЧЭ является относительная магнитная чувствительность (?), измеряемая при малых значениях магнитной индукции (до 20–50 мТл), и составляющая от 1,5 до 5%. Тонкопленочные магниторезисторы Ав-1 и Ав-2 обладают повышенной чувствительностью к слабым магнитным полям. Участок насыщения характеристики магниторезисторов начинается при индукции внешнего магнитного поля, превышающей 30–40 мТл для Ав-1 и 15–20 мТл для Ав-2. Эта особенность данных характеристик позволяет применять указанные магниторезисторы для точных измерений физических величин при использовании внешних магнитных полей, модулируемых измеряемыми физическими величинами, изменяющимися в пределах от 0 до 20 мТл. Температурный коэффициент сопротивления для приведенных типов магниторезисторов составляет 0,25– 0,36% на градус Цельсия, что более чем в два раза меньше температурного коэффициента сопротивления приборов на основе «монолитных» МЧЭ. Всероссийским научно-исследовательским институтом электроизмерительных приборов (г. Ленинград) разработан тонкопленочный магниторезистор, состоящий из четырех однотипных МЧЭ, образующих равновесный и равноплечный мост. Конструктивно магниторезистор выполнен в виде четырехвыводной микросборки, состоящей из керамической платы с напыленными МЧЭ и выводов, расположенных на одной из сторон платы. Вся сборка герметизирована эпоксидным компаундом.

Примеры практического применения приборов, перспективы развития

Магниторезисторы применяются в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках: скорости и направления вращения, угла поворота и положения, линейного перемещения, расхода жидкости и газа, электрического тока и напряжения и т.п. Их используют в бесконтактной клавиатуре ПЭВМ, бесконтактных переменных резисторах, вентильных электродвигателях, электронных модуляторах и преобразователях, измерителях магнитного поля, металлоискателях, электронных навигаторах, в бытовой электронной аппаратуре, системах автоматического управления, устройствах считывания информации ЭВМ, определителях подлинности банкнот, электронных и электрифицированных игрушках и др. Современная групповая технология ИС позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного поля на основе тонкопленочных магниторезисторов, которые могут формироваться как в линейные, так и в матричные магниточувствительные структуры с различным способом их организации. Основное назначение таких приборов – это использование их в системах визуализации магнитного поля и устройствах считывания информации с магнитных носителей (лент, карт и т.п.).
Источники

  1. P. S. Kireev Semiconductor physics, 2nd ed.. — Moscow: Mir Publishers, 1978. — С. 696.

  2. B. M. Askerov Electron Transport Phenomena in Semiconductors, 5-е изд.. — Singapore: World Scientific, 1994. — С. 416.

  3. Vorob’ev V. N. and Sokolov Yu. F. «Determination of the mobility in small sample of gallium arsenide from magnetoresistive effects» Sov. Phys. Semiconductors 5, 616 (1971).

  4. Бараночников М.Л. «Микромагнитоэлектроника» ДМК Пресс, 2001. – 544 с.

  5. Г. И. Котенко «Магниторезисторы» Л., «Энергия», 1972. 80 с.


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации