Способ измерения индукции магнитного поля Советский патент 1985 года по МПК G01R33/06 

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при создании высокочувствительных магнитометров в широком интервале температур (от 70 до 550 К). Цель изобретения - увеличение чувствительности при расширении температурного диапазона измерения за счет выбора такой величины тока, протекаюш,его через гальваномагниторекомбинационный датчик с примесной проводимостью, пр которой падение напряжения на датчике с увеличением тока уменьшается, возникает максимальное взаимодействие между температурными и концентрационными эффектами в полупроводнике, повышаюшее чувствительность датчика в широком диапазоне рабочих температур. Физической основой предлагаемого способа является неизучавшийся ранее эффект взаимодействия с магнитным полем электронно-дырочной плазмы. Электронно-дырочная плазма создается нагревом протекающего тока через примесный полупроводник в области отрицательного участка S-образной вольт-амперной характеристики (ВАХ), в результате чего происходит переход проводимости из примесной области в собственную. В результате этого в направлении силы Лоренца возникает градиент температур и взаимодействие этого градиента с градиентом концеЕ1траций электронно-дырочной плазмы, которое максимально при переходе проводимости из п-римесной области в собственную. При это.м, во-первых, под действием силы Лоренца происходит приток электроннодырочной плазмы к одной из поверхности, перпендикулярной .силе Лоренца (ГМРэффект). Во вторых, происходит группировка электронно-дырочной плазмы по энергиям в магнитном поле, т. е. одна поверхность датчика, перпендикулярная силе Лоренца, нагревается относительно другой. В третьих, возникает взаимодействие этих процессов, поскольку как электронно-дырочный холловский ток, так и потоки тепла в электроннодырочной плазме зависят и от градиента концентрации, и от градиента температуры. Из непрерывности тока и баланса энергии в полупроводнике следует, что распределения концентрации и температур взаимосвязаны, причем эта связь максимальна при переходе от примесной проводимости к собственной. В результате этого в магнитном поле наблюдается изменение проводимости, которое превышает изменения проводимости, вызванные ГМР-эффектом и тепловыми эффектами в отдельности. На фиг. 1 представлено распределение температуры электронно-дырочной плазмы в магнитном поле вдоль направления силы Лоренца F при разных ее полярностях (кривые 1 и 2) и без нее (кривая 3), при нагреве датчика током питания Ijjp и температуре окружающей среды То, при которой происходит измерение магнитного поля. Пунктиром показаны распределения температуры носителей в области примесной проводимости (кривая 4) при токе 1о и температуре окружающей среды То и также распределение температуры концентрации электронно-дырочных пар в области собственной проводимости при температуре окружающей среды Т| (кривая 5). На фиг. 2 представлены распределения концентрации электронно-дырочной плазмы, вызванные соответствующими распределениями температур, показанными на фиг. 1, а также величины средней концентрации носителей в магнитном поле, вызванные этим распределением. Пунктирные кривые 6 и 7 обозначают величину средней концентрации носителей электронно-дырочной плазмы в отсутствие магнитного поля при температурах То и T|. Кривые 8 и 9 (фиг. 2) показывают распределения концентрации электронно-дырочной плазмы в магнитном поле при разных его полярностях в случае нагрева полупроводникового датчика током, т. е. в отрицательной ветви S-образной ВАХ. Кривые 14 и 15 - величины средних концентраций, вызванные этими перераспределениями в магнитном поле. Кривые 10 и 11 - распределение концентрации носителей электроннодырочной плазмы при температуре окружающей среды TI, соответствующей собственной проводимости в магнитном поле при разных его направлениях. Кривые 12 и 13 - величины средних концентраций носителей, вызванные этими перераспределениями при температуре окружающей среды TI, соответствующей температуре собственной проводимости. Как видно из фиг. 2, изменение средней концентрации носителей, определяющее изменение сопротивления полупроводникового датчика, при нагреве его током (кривые 14 и 15) намного больше, чем при нагреве его до такой же температуры (Ti), например, термостатом (кривые 12 и 13). Проводя измерения при различных температурах окружающей среды, полупроводниковый датчик нагревается различными токами питания до температуры Т:, при которой проводимость его становится собственной. Чем больше разница в температурах Т| и окружающей среды То, тем больше изменения сопротивления в магнитном поле и тем больше чувствительность полупроводникового датчика. На фиг. 3 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ. Магниточувствительный датчик 16 подключен своими токовыми контактами через ограничительный резистор 17 и измеритель тока 18 к источнику тока 19, Индикатор напряжения 20 подключен к магниточувствительному датчику 16.

Измерения индукции магнитного поля производятся следующим образом.

На датчик 16 из кремния с удельным сопротивлением Ом-см и размерами 8X4X0.2 мм, при комнатной температуре подают ток 1о 1 мА, величина которого лежит в линейном участке ВАХ. При этом измеряют падение напряжения на нем Uo 20 В (кривая 21, фиг. 4). Далее увеличивают ток через датчик до (например, мА), при котором достигается отрицательный участок S-образной ВАХ и напряжение на датчике с увеличением тока уменьшается ( В), кривая 21, фиг. 4. При этом датчик нагревается до температуры 420 К, при которой проводимость его из примесной области переходит в собственную.

Величины I и и зависят от проводимости полупроводникового материала, температуры окружающей среды и условий теплоотдачи.

Далее магниточувствительный датчик 16 помещают в измеряемое магнитное поле, о величине которого судят по изменению напряжения в цепи датчика:

В кди,

где В - индукция измеряемого магнитного

поля;

К- коэффициент, зависящий от параметров полупроводникового датчика и условий теплоотдачи;

ди - изменение напряжения на полупроводниковом датчике под воздействием магнитного поля.

Применяя примесный щирокозонный полупроводник, например кремний (Si), измерение магнитного поля можно производить в широком диапазоне температур от -70 до +550 К. При различных температурах окружающей среды необходима разная величина тока, при которой проводимость полупроводника из примесной переходит в собственную область (, кривая 22, фиг. 4).

На фиг. 5 показана зависимость чувствительности от тока при разных температурах. При этом чувствительность тем больше, чем больше разница в температуре окружающей среды и температуре, при которой проводимость полупроводника становится собственной.

В силу того, что при различной температуре окружающей среды токовым нагревом устанавливается момент перехода проводимости полупроводникового датчика из примесной области в собственную, температурный диапазон измерения значительно расширяется от 70 до 550 К. При этом чувствительность магниточувствительного датчика наибольщая 20 мВ/Э, а температурный коэффициент чувствительности без применения схемотехники, как видно из фиг. 5, 0,25%/град.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, включающий помещение в магнитное поле гальваномагниторекомбинационного датчика с примесной проводимостью и измерение падения напряжения на его токовых выводах, отличающийсятем, что, с целью увеличения чувствительности при расщирении температурного диапазона, до помещения датчика в магнитное поле увеличивают ток через датчик до величины, дальнейщее увеличение которой приводит к уменьщению падения напряжения на токовых выводах датчика. (Л 00 00 О5 00 to

4/1

г

J

П5

фиг.2

-(

20

I

1Е

/tx

(риг.З

/ 2 J 4 5 5 7 сриг.5

1,мА