Способ определения индукции магнитного поля Советский патент 1990 года по МПК G01R33/02 

13

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля параметров магнитного поля.

Целью изобретения является повышение точности определения индукции магнитного поля за счет представления выходного сигнала в частотной форме.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит чувствительный элемент 1, подключенной к источнику 2 регулируемого напряжения, частотомеру 3, проградуированному в единицах магнитной индукции, и резистору 4 нагрузки.

Чувствительный элемент 1 представляет р - п-структуру, выполненную из кремния, легированного фосфором.

Концентрация фософра N, равна,

J

10 я. С одной стороны структусм

ры проведена компенсация фосфора золотом, при этом электроны с донорных уровней фосфора переходят на акцепторные уровни золота. Концентрация золота К,, снижается от поверхности диффузии ,и в объеме чувствительного элемента лежит в пределах Ыц Ыдё2К С противоположной стороны структуры проведена диффузия алюминия до кон18 I

центрации N., равной 10 --т чем см

создана р -область.

Такая структура чувствительного элемента обеспечивает S-образную вольт-амперную, характеристику и способность к генерации колебаний под действием магнитного поля.

При подаче напряжения питания от регулируемого источника 2 p -n-пере- .ход открыт. Напряженность поля расСтруктура переходит в состояние отрицательного дифференциального со- протиалейия, в ней образуется шнур тока. Сопротивление чувствительного 25 элемента 1 в шнуре резко падает до цвух порядков. Напряженность электрического поля резко возрастает.. При этом напряжение, приложенное к чувствительному элементу, практически 30 полностью падает на области максимальной проводимости (на щнуре тока) . , Напряженность электрического поля вне шнура падает. Электроны, перешедшие до этого в зону проводимости, 2g возвращаются на компенсирующие уровни золота. В отсутствие магнитного поля шнур тока остается стабильным.

При воздействии на чувствительный элемент магнитного поля на шнур то- 40 ка и носители тока вне шнура дейст- I вует сила Лоренца, При ориентации силошдх линий магнитного поля параллельно р -п-переходу (перпендикулярно шнуру тока) и перпендикулярно силопределена по структуре в соответствии 45 вым линиям электрическЬго поля сила

Лоренца отклоняет свободные электрос неравномерностью распределения концентраций носителей по длине структу- , ры и неравномерностью их компенсации.

ны, свободные дырки и шнур тока в

направлении, перпендикулярном силовым линиям полей (вправо или влево в зави- По мере увеличения напряжения пита-зд симости от направления силовых линий:

ния и, как следствие, напряженности электрического поля до критического уровня происходит энергетический разогрев электронов, находящихся на уровнях золота как в п-, так и в р-областях. При этом за счет неравномерности распределения исходной концентрации напряженность прля по длине чувствительного элемента изме

няется неодинаково и энергии электронов также различны. Б месте наибольшей концентрации (наименьшей компенсации) напряженность электрического поля максимальна и энергетический разогрев носителей максимален. Часть электронов получает энергию, достаточную для перехода с компенсирующе- го дырочного энергетического уровня в зону проводимости, что вызывает, уменьшение сопротивления и дальнейшее увеличение напряженности в этом месте, а это в свою очередь увеличи- вает количество носителей, переходящих в зону проводимости. Происходит лавинообразный процесс, приводящий к полному выбросу электронов с дырочных энергетических уровней компен- сации в зону проводимости.

Структура переходит в состояние отрицательного дифференциального со- протиалейия, в ней образуется шнур тока. Сопротивление чувствительного элемента 1 в шнуре резко падает до цвух порядков. Напряженность электрического поля резко возрастает.. При этом напряжение, приложенное к чувствительному элементу, практически полностью падает на области максимальной проводимости (на щнуре тока) . , Напряженность электрического поля вне шнура падает. Электроны, перешедшие до этого в зону проводимости, возвращаются на компенсирующие уровни золота. В отсутствие магнитного поля шнур тока остается стабильным.

При воздействии на чувствительный элемент магнитного поля на шнур то- ка и носители тока вне шнура дейст- вует сила Лоренца, При ориентации силошдх линий магнитного поля параллельно р -п-переходу (перпендикулярно шнуру тока) и перпендикулярно силоны, свободные дырки и шнур тока в

.на плоскость чертежа или от нее соответственно) , При,этом в областях образца действие магнитного поля вызывает различные процессы, В gg п-области свободных дырок мало, электроны вне шнура находятся на уровнях компенсации и их тоже мало, В этих условиях шнур тока может смещаться по структуре без разрушения (при уело10

15

20

ВИИ достаточно равномерного распределения начальной концентрации и компен сации). В р -области имеется большое количество свободных дырок, а электроны находятся на уровнях компенсации золота (напряженность электрического поля вне шнура мала) . Под действием магнитного поля свободйые дырки дрейфуют по чувствительному элементу и создают у ближайшей стенки шнура . область повьппенной рекомбинации. Так как электронов к этой стенке шну- ра подходит на 2-3 порядка меньшее .количество, то начинается процесс разрушения шнура, сопротивление шнура в р -области увеличивается, начинается новое распределение напряженности электрического поля по Структуре: в области шнура она падает, вне тнура растет. Уменьшение напряженности электрического поля в шнуре приводит в переходу части электронов на уровни компенсаций золота. Происходит второй лавинообразный процесс (разру- 25 шенне шнура), после чего состояние структуры возвращается к исходному и весь процесс повторяется.

Увеличение индукции магнитного поля В приводит к увеличению силы Ло- зо ренца Ьд, действующей на носитель заряда и равной

Рд - q V В,.

где q - заряд электроиов;

V -скорость носителя заряда. При этом число свободны дырок, подходящих к шнуру, возрастает, ско- ость рекомбинации увеличивается, нур разрушается быстрее и увеличиается частота колебаний тока.чТаким бразом, частота колебаний тока за35

40

0

5

0

5

висит от величины магнитной индукции и возрастает с ее увеличением.

Измерение частоты колебаний частотомером 3, подключенным к нагрузочному резистору 4 и проградуированно- му в единицах магнитной индукщт, позволяет однозначно определить величину индукции магнитного поля.

При реализации способа не важен порядок воздействия электрического и магнитного полей на чувствительный элемент, т.е. пшур тока можно форми- ровать как до, так и после помещения элемен ria в магнитное поле.

Формула изобретения

Способ определения индукции магнит ного поля, включающий воздействие взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей на полупроводниковый чувствительный элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения точности,, в полупроводниковом чувствительном элемен25

зо

35

0

те на Р -п-струтуре с S-образной вольт-амперной характеристикой и. соотношением концентраций донорной примеси Ыд и примеси компенсации N,, в п-области N :Кд 2N .формируют шнур тока путем увеличения напряженности электрическЬго поля до критического значения .и определяют индукцию В из соотношения

В k-f

где k - коэффициент пропорциональности}

f - частота колебаний шнура тока.

о

Т

Способ определения индукции магнитного поля (МП) позволяет повысить точность определения индукции МП за счет представления выходного сигнала в частотной форме. Способ реализован в устройстве, содержащем полупроводниковый чувствительный элемент (Ш1ЧЭ) I, источник 2 регулируемого напряжения, частотомер 3, про-. . градуированный в единицах магнитной шщукции, и резистор 4 нагрузки. В ППЧЭ 1 на Р - п-структуре с S-об- разной вольт-амперной характеристикой и соотношением концентраций Мд донор- ной примеси и примеси N компенсации в п-области Nj; - Ыд 2N формируют шнур тока путем увеличения напряженности электрического поля до критического значения и определяют индукцию В из соотношения Bj kf, где k - коэффициент пропорциональности; f - частота колебания шнура тока. ил.

ВНИИПИ Заказ 499

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Прое ктная, 4

Тираж 569

Подписное