ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 1996 года по МПК G01R33/06 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано как датчик магнитной индукции в различных автоматизированных устройствах по определению магнитных параметров окружающей среды.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, которые состоят из однопереходного транзистора с поверхностью, обладающей высокой скоростью рекомбинации, расположенной около инжектирующего верхнего базового контакта (см. Викулин И.М. Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М. Радио и связь, 1990, стр.232, рис.7.22). При указанном направлении вектора индукции поперечного магнитного поля инжектированные верхним базовым контактом дырки отклоняются от плоскости с высокой скоростью рекомбинации, вследствие чего увеличивается их эффективная диффузионная длина и их концентрация около обратносмещенного эмиттерного перехода в момент заряда конденсатора, подключенного к эмиттеру и второму базовому омическому контакту. Соответственно увеличивается обратный ток эмиттера и уменьшается время заряда конденсатора. Период колебаний напряжения на эмиттере пропорционален обратному току, который в свою очередь пропорционален концентрации дырок в базе напротив эмиттера. Таким образом, частота колебаний релаксационного генератора зависит от индукции магнитного поля. Недостатком таких устройств является низкая чувствительность, обусловленная резким уменьшением отрицательного сопротивления с увеличением инжекции верхнего базового контакта, что приводит к срыву релаксационных колебаний.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению можно считать полевой магнитотранзистор (см. Викулин Т.М. Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов, М. Радио и связь, 1990, с. 233 235, рис.7.23). Его конструкция представляет собой полевой транзистор с изолированным затвором, в канале которого имеются дополнительные боковые омические контакты для вывода ЭДС Холла. Их расположение обусловлено местом в канале, где толщина имеет наименьшее значение, т.е. на расстоянии (0,8 0,9) длин канала, если длину канала отсчитывать от истоков. При помещении полевого магнитотранзистора в поперечное магнитное поле в его канале возникает электрическое поле Холла, как и в полупроводниковом стержне с двумя омическими контактами на концах. Холловская разница потенциалов пропорциональна магнитной индукции и току стока полевого магнитотранзистора. Недостатками известного устройства является низкая чувствительность и точность измерения магнитной индукции, обусловленные тем, что при малых значениях магнитной индукции изменение тока стока является незначительным, что резко уменьшает ЭДС Холла, а следовательно чувствительность и точность измерения магнитной индукции.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности и точности измерения магнитной индукции.

Использование предлагаемого полупроводникового датчика магнитного поля измерения магнитной индукции по сравнению с прототипом существенно повышает чувствительность и точность определения информативного параметра за счет выполнения индуктивного элемента на основе биполярного транзистора, а емкостного в виде полевого транзистора измерительного колебательного контура, в котором изменение емкости под действием магнитного поля обеспечивает эффективную перестройку частоты на выходе, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора напряжения на выходе источника электропитания.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве преобразование магнитной индукции в напряжение заменяется в предлагаемом устройстве преобразованием магнитной индукции в частоту, для чего полевой транзистор выступает в качестве управляемого магнитным полем емкостного элемента колебательного контура, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего на зажимах коллектор эмиттер биполярного транзистора, у которого базовый электрод соединен с истоком полевого транзистора, коллектор соединен с затвором, а эмиттер со стоком. Индуктивным элементом служит реактивная составляющая полного сопротивления на зажимах коллектор эмиттер биполярного транзистора. Для увеличения общей эквивалентной индуктивности подстройки контура параллельно зажимам эмиттер - коллектор биполярного транзистора включается внешняя пассивная индуктивность. Таким образом, в предлагаемом устройстве небольшое изменение емкости полупроводникового инверсионного слоя за счет отклонения траектории электронов канала под действием магнитного поля преобразуется в значительное изменение резонансной частоты колебательного контура, что позволяет увеличить чувствительность и точность определения индукции магнитного поля.

Отличительными признаками являются следующие.

Подключение к магнитотранзистору с изолированным затвором биполярного транзистора осуществляют таким образом, что затвор магнитотранзистора соединен с коллектором биполярного транзистора, сток с эмиттером, исток с базой биполярного транзистора. При таком включении в общих целях полевого и биполярного транзисторов образуется положительная обратная связь.

На зажимах коллектор эмиттер биполярного транзистора образуется отрицательное сопротивление, так как полное входное сопротивление этой структуры имеет емкостной характер реактивной составляющей и отрицательное значение активной составляющей.

Такая транзисторная структура является емкостным элементом колебательного контура, образованного параллельным включением последовательной цепочки из емкости и индуктивности. Потери в колебательном контуре компенсируется за счет отрицательного сопротивления.

При воздействии магнитного поля на канал полезного магнитотранзистора происходит изменение емкостной составляющей полного сопротивления, в результате чего изменяется резонансная частота колебательного контура.

Полупроводниковый датчик магнитного поля содержит источник 1 управляющего постоянного напряжения, включенного параллельно зажимам эмиттер коллектор биполярного транзистора 4 и последовательной цепочке, состоящей из пассивной индуктивности 5 и конденсатора 6, причем затвор полевого транзистора 3 соединен с коллектором биполярного транзистора 4, исток соединен с базой, а сток с эмиттером. Источник 2 управляющего постоянного напряжения подключен параллельно зажимам исток сток полевого транзистора 3. Магниточувствительным элементом полевого транзистора 3 является его канал, на который воздействует поперечное магнитное поле при указанном на фиг.1 векторе магнитной индукции. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 6 и общей шиной.

Полупроводниковый датчик магнитного поля работает следующим образом.

В начальный момент времени поперечное магнитное поле отсутствует и не действует на канал полевого транзистора 3. Повышением напряжения управляющих источников 1 и 2 до значений, когда биполярный транзистор 4 станет работать в активном режиме, а полевой транзистор 3 в режиме насыщения, на зажимах эмиттер коллектор биполярного транзистора 4 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в колебательном контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимах затвор сток полевого транзистора 3 и полным сопротивлением с индуктивным характером на зажимах эмиттер коллектор биполярного транзистора 4. Индуктивность 5 служит для подстройки колебательного контура на нужную резонансную частоту, а емкость 6 предохраняет источник 1 управляющего напряжения от короткого замыкания через подстроечную индуктивность 5, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующем включении магнитного поперечного поля с направлением вектора магнитной индукции, как показано на фиг.1, происходит уменьшение количества электронов в канале транзистора 3, так как они отклоняются магнитным полем вглубь полупроводниковой подложки и не попадают на электрод стока, что приводит к изменению емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах затвор - сток полевого транзистора 3, что изменяет резонансную частоту колебательного контура.

Использование: в электронных устройствах измерения магнитных параметров окружающей среды. Сущность изобретения: устройство содержит два источника постоянного напряжения (1, 2), включенных параллельно, полевой транзистор (3), биполярный транзистор (4). Полевой транзистор служит емкостным элементом измерительного колебательного контура, образованного включением параллельно биполярному транзистору цепочки из пассивной индуктивности (5) и емкости (6). Индуктивным элементом колебательного контура является биполярный транзистор. 1 ил.

Полупроводниковый датчик магнитного поля, содержащий емкостной управляемый элемент в виде полевого магнитотранзистора с изолированным затвором, электрически связанный с двумя параллельно подключенными источниками электропитания, отличающийся тем, что в него введены биполярный транзистор, конденсатор и катушка индуктивности, причем база биполярного транзистора подключена к истоку полевого транзистора, коллектор к затвору, а эмиттер биполярного транзистора подключен к стоку полевого транзистора, который через второй источник электропитания связан с истоком, первый вывод катушки индуктивности подключен к коллектору биполярного транзистора, затвору полевого транзистора и первому полюсу первого источника электропитания, второй вывод катушек индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключена первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к эмиттеру биполярного транзистора, стоку полевого транзистора и вторым полюсам источников электропитания, соединенных с образованием общей шины, к которой подключена вторая выходная клемма.