Способ измерения напряженности магнитного поля и устройство для его реализации Советский патент 1985 года по МПК G01R33/06 

2. Устройство для измерения напряженности магнитного поля, представляющее собой полупроводниковую пластину с двумя электрическими контактами на торцах, отличающееся тем, что полупроводниковая пластина выполнена в виде прямоугольной усеченной пирамиды, все поверхности которой имеют минимальную скорость поверхностной рекомбинации, электрические контакты вьтолнены плоскими и располагаются на боковых поверхностях пирамиды с возможностью изменения расстояния между плоскостями контактов по высоте пирамиды.

,1 Изобретение относится к магнитн измерениям и может быть использовано для измерения слабых магнитны полей. Цель .изобретения - расширение динамического диапазона измерений Прд динамическим диапазоном ГМР-преобразователя подразумеваетс такая область величины магнитного поля, при которой отношение измеря емого сигнала к величине шума оста ется величиной постоянной. Поставленная цель достигается тем, что при одной и той же средне концентрации электронно-дырочных пар максимальная концентрация у поверхности пластины уменьшается за счет того, что все поверхности пластины минимальную скорос 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 характерис тики образца в зависимости от напряженности магнитного поля: кривые 1,, кривые II, II - Н 1250 Э, кривые III, III - 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 гальваномагниторекомбинационного преобразователя (кривая J) и предлагаемого устройства (кривая II). Простейшая электрическая схема включения устройства для измерения напряженности магнитного поля (фиг. 2} содержит источник питания 1, регистрирующее устройство 2 и полупроводниковую пластину 3 для измерения напряженности магнитного поля. Сущность работы данного способа и устройства заключается в следующем . . Если полупроводниковую пластину поместить в градиентное электрическое поле (в данном устройстве градиентное электрическое поле создается путем выбора геометрической формы пластины, фиг. 1), то дрейфовая скорость носителей заряда будет различна по толщине полупроводниковой пластины. Помещая теперь эту пластину в магнитное поле, перпендикулярное электрическому, получаем переменную по толщине пластины силу Лоренца, так как Рд tiTj, где е - заряд электрона; V)j - дрейфовая скорость носителей заряда в ОХ направлении, зависящая от напряженности электрического поля; Н- - напряженность магнитного поля. В результате действия силы Лоренца происходит перераспределение электронно-дырочных пар по толщине пластины. Если, направление электрического и магнитного полей выбрать таким, что сила Лоренца будет направлена от поверхности , где напряженность электрического поля максимальна, к поверхности 0, где она минимальна, то носители заряда будут локализоваться в области сильного поля и проводимость полу3

проводниковой пластины будет расти, значит, соответственно будет расти и сила тока, протекающего через образец. Это приведет к изменению вольт-амперной характеристики пластины (фиг. 3, кривая ГТ). На фиг. 3 кривая I, I представляет собой вольт-амперную характеристику образца в отсутствии магнитного поля.

Если направление электрического и магнитного полей выбрать таким, что сила Лоренца будет направлена от поверхности , где напряженность электрического поля максимальна, к поверхности , где она минимальна, то носители будут локализоваться у поверхности у-О, что приведет к уменьшению проводимости,т.е. уменьшению силы тока через полупроводников JTO пластину (фиг. 3, кривая Г Г ). При увеличении напряженности магнитного поля происходит изменение величины силы Лоренца, что приводит к еще большему изменению распределения электронно-дырочных пар, т.е. к еще большему изменению силы тока (фиг. 3, кривые HI, III).Распределение электронов и дырок в преобразователе представлено на фиг. 4. В отсутствии магнитного поля распределение электронно-дырочных па равновесное и представляет собой прямую линию (фиг. 4, кривая Г. При включении магнитного Поля в преобразователе возникает постоянная по толщине полупроводниковой пластины сила Лоренца, которая пере- . распределяет электронно-дырочные пары. Если сила Лоренца направлена от поверхности d к поверхности , то вблизи поверхности будет наблюдаться истощение носителей заряда, а вблизи поверхности з Ообогащение. Однако, так как поверхность с| преобразователя имеет максимальную скорость поверхностной рекомбинации, то истощить эту поверхность полностью не удастся, потому что сама поверхность является источником генерации электронно-дырочных пар. Поверхность преобразователя имеет минимальную скорост поверхностной рекомбинации, поэтому у этой поверхности наб;нодается увеличение концентрации электроннодырочнь1х пар (фиг. 4, кривая ТТ). При увеличении магнитного поля вели184

чина силы Лоренца тоже увеличивается и носители заряда локализуются у поверхности в узком слое (фиг. 4 кривая ИГ), причем концентрация может увеличиться на порядок по сравнению с равновесной концентрацией. Увеличение концентрации электронно-дырочных пар в узком слое у поверхности приводи к возникновению нелинейных процессов рекомбинации в этом слое. Это сужает динамический диапазон преобразователя, так как передаточная характеристика такого преобразователя будет линейна только в област линейной рекомбинации носителей заряда. .

В устройстве у поверхности J, имеющей максимальную напряженность электрического поля, сила Лоренца, направленная к поверхности 0, будет иметь максимальное значение и, так как поверхность имеет минимальнзш скорость поверхностной рекомбинации, то концентрация носителей заряда уменьшится, что приведет к уменьшению силы тока через образец. У поверхности , имющей 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 уменьшится. Максимальное значение локальной концентрации электроннодьфочных пар у поверхностей пластин О и rf будет меньше, чем у прототипа так как средняя концентрация электронно-дырочных пар не меняется и максимальное ее значение меньще, чем у прототипа при одних и тех же значениях U и Н.

Пример 1. Для измерения напряженности магнитного поля использовали полупроводниковую пластину, изготовленн5по из монокристаллического германия с собственной проводимостью OMVCM при 300 К. Пластина была выполнена в виде прямоугольной усеченной пирамиды с переменным расстоянием между электрическими контактами. Размеры верхнего основания 3,5 мм, нижнего основания - 6,0 мм, толщина 0,2 мм, высота 3 мм. Все грани пластины для получения минимальной скорости поверхностной рекомбинации травились в травителе СР-4-А с последующим кипячением в . Электрические контакты бьши созданы путем электрЬлитического осаждения на торцах тонкого слоя никеля, к которому с помощью химически чистого олова припаивалась серебряная проволока. Пластину помещали в магнитное поле, силовые линии которого были перпенд10сулярны силовым линиям электрического поля и боковым поверхностям усеченной пирамиды. По падению напряжения на сопротивлении нагрузки в 1 Ом были получены вольтамперные характеристики, подтверждающие уменьшение и увеличение силы тока при отклонении носителей заряд к поверхностям, имеющим минимальную и максимальную напряженность электрического поля, соответственно

Пример 2. На этом же образце проводились измерения в режиме постоянного тока питания Ij,3 мА. Вольтовая чувствительность была равна 50 мВ/Т. Температурный коэффициент чувствительности в интервале температур 10-35 С не более 0,5%/град. Сопротивление образца 2 КОм. На

фиг. 5 кривыми 1, TI представлены передаточные хара:ктеристики 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 поля напряженностью до400 Э.

фиг. 2 IM

Фиг.З )