Магниторезисторные преобразователи

Сопротивление проводящего канала при наличии носителей заряда двух знаков определяется выражением

R = ,

где е — заряд электрона; п и и_п — соответственно средняя концентрация и подвижность электронов (анионов); р и u_p — средняя концентрация и подвижность дырок (катионов); l и S — соответственно длина и сечение проводящего канала.

При воздействии на канал магнитного поля изменяется его электрическое со­противление вследствие изменения подвижности носителей заряда, их средней кон­центрации и изменения соотношения размеров проводящего канала. Магниторезистивный эффект можно наблюдать в чистых металлах, в полупроводниках, а также в электролитах.

К магниторезистивным преобразователям относятся магниторезисторы, магнитодиоды, биполярные магнитотранзисторы, гальваномагниторекомбинационные пре­образователи и полевые магнитотриоды. В настоящее время для создания средств Измерений практическое применение нашли магниторезисторы и гальваномагниторекомбинационные преобразователи. Остальные типы магниторезистивных преобразователей, за исключением магнитодиодов, находятся еще в стадии развития. Магнитодиоды применяются главным образом в качестве бесконтактных переменных резисторов.

Магниторезисторы представляют собой гальваномагнитные преобразователи (ГМП), изменение сопротивления которых обусловлено изменением подвижности носителей заряда. Под действием магнитного поля траектории носителей искрив­ляются, вследствие чего скорость их движения в направлении электрического поля уменьшается. Уравнение преобразования магниторезистора имеет вид R_B= , где μ— подвижность носителей заряда; R_B=0 — сопро­тивление преобразователя при В=0; А — магниторезистивный коэффициент, за­висящий от свойств материала и формы преобразователя; т — показатель степени, равный 2 в слабых магнитных полях (В≤0,2÷0,5 Тл), для которых иВ ≤ 1, и равный 1 в сильных магнитных полях, для которых иВ ≥ 1.

Как видно из рис. 9-6,а функция преобразования магниторезисторов является четной, поэтому как в постоянном магнитном поле любой полярности, так ив пере­менном магнитном поле их сопротивление увеличивается. Максимум приращения сопротивления при данном значении магнитной индукции имеет место, если угол между вектором магнитной индукции и осью направленности магниторезистора равен 0 или 180°.

Первые магниторезисторы выполнялись из висмута (висмутовые спирали). В на­стоящее время магниторезисторы изготовляются из полупроводниковых материалов группы A^IIIB^V — антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs) и др., в которых сильно проявляется магниторезистивный эффект вследствие большой подвижности носителей заряда.

Магниторезистивный коэффициент А зависит от формы магниторезистора. Чем меньше отношение длины резистора к площади его сечения, тем больше коэффи­циент A. В этом отношении оптимальна конструкция в виде диска Корбино (рис.9.30,б),

у которой один электрод укреплен в центре, а другой — в виде обода на окружности. У такого преобразователя нет граней для концентрации носителей заряда, вследствие чего уменьшается влияние эффекта Холла.

Недостатком магниторезисторов в виде дисков Корбино и коротких прямоугольных пластинок является их малое начальное сопротивление. Для увеличения этого сопротивления магниторезисторы выполняются в виде ряда коротких полупроводниковых резисторов, соединенных последовательно проводящими слоями (растрами) (рис. 9.6, в). Это позволяет создавать магниторезисторы с сопротивлением несколько килоом при сохранении большого значения коэффициента A.

В последнее время магниторезисторы выполняют из эвтектического сплава, в котором методом направленной кристаллизации образуются тонкие (d = 1 мкм) иглы из антимонида никеля (NiSb), которые равномерно располагаются параллельно друг к другу на расстоянии 20—400 мкм в толще полупро­водника. Поскольку удельная проводимость NiSb на 2—3 порядка больше, чем у InSb, то эти иглы выполняют роль проводящих растров высокоомных магниторезисторов.

Основными метрологическими характеристиками магниторезисторов являются начальное сопротивление R₀, которое лежит в пределах от долей ома до десятков ки­лоом, и магниторезистивная чувствительность s_b = dR/dB. Обычно для характери­стики магниторезистивных преобразователей используют зависимости ∆R_B/∆R₀ = F(В), где ∆R_B = R_B - R₀. На рис. 9.31 показано семейство таких зависимостей для четырех магниторезисторов, отличающихся отношением длины резистора к площади его сечения. Наибольшую чувствительность имеет магниторезистор в виде диска Корбино (кривая 4). Ток питания магниторезистора, находящегося в магнитном поле с индукцией B₁ должен выбираться значительно меньше начального допустимого тока I₀ (при В = 0), указываемого в таблицах. Значение допустимого тока I_B1 определятся по формуле I_B1= . Начальный ток I₀ разных типов магниторезисторов лежит в диапазоне 1—100 мА. Рабочий диапазон температур магниторезисторов составляет от -271 до +327 °С. Для работы при низких температурах весьма перспективны магниторезисторы из антимонида индия.

Температурный коэффициент сопротивления магниторезисторов (ТКС) зависит от состава материала, магнитной индукции и температуры. Чем больше чувствительность магниторезистора,тем больше его ТКС. Значения ТКС различных типов магниторезисторов имеют пределы 0,0002—0,012 К^-1.

Частотные характеристики магниторезисторов в основном определяются межэлектродными емкостями. У дисков Корбино частотная погрешность меньше, чем у прямоугольных преобразователей, для которых при изменении частоты от 0 до 10 МГц магниторезистивная чувствительность уменьшается на 5 - 10%.

Магниторезистивные преобразователи находят применение в качестве бесконтактных переменных резисторов и делителей напряжения с плавно регулируемым коэффициентом деления, модуляторов малых постоянных токов и напряжений, используются для создания тесламетров для работы при сверхнизких температурах и датчиков для измерения ряда неэлектрических величин, легко преобразуемых в изменение магнитной индукции, и бесконтактного измерения токов [8].

Таблица 9.3
Тип магнитодиода	Параметр
	U, B (при I=3 мА, B=0)	S, В/Тл (при I=3 мА)
КД 301А	6—7,5
КД 301 Б	7,5—9
КД 301В	9—10,5
КД 301Г	10,5—12
КД 301Д	12—13,5
КД 301 Е	13,5—15
КД 301 Ж	15—20

Магнитодиоды представляют собой диоды с несимметричным
р-п-переходом, в котором под действием магнитного поля уменьшается подвижность и концентрация носителей зарядов, вследствие чего уве­личивается прямое сопротивление перехо­да и при заданном токе увеличивается па­дение напряжения на p-n-переходе. Характеристики выпускаемых магнитодиодов приведены в табл.9.6. Допустимая мощность для всех приведенных в таблице 9.6 диодов составляет 0,2 Вт при температуре окружающей среды Θ_окр=25 °С, допустимый диапазон температур от -60 до +85 °С, частотный диапазон по электрическому и магнитному полям 0-1 кГц.

Очевидным преимуществом магнитодиодов является их высокая чувствительность, однако пока метрологические характеристики магнитодиодов, такие, как нелинейность и разброс характеристик, чувствительность к температуре, трудность ориентации в магнитном поле, затрудняют их применение для измерения параметров магнитных полей. Магнитодиоды применяются в качестве бесконтактных потенциометров, переключателей и реле.