WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1 Магниточувствительные транзисторы Обзор © И.М. Викулин, Л.Ф. Викулина, В.И. Стафеев Академия связи Украины, 65021 Одесса, Украина (Получен 30 мая 2000 г. Принят к печати 1 июня 2000 г.) Обобщаются физические принципы работы транзисторов, ток через которые управляется внешним магнитным полем. Рассмотрeны однопереходные, биполярные и полевые магнитотранзисторы, а также их производные — магнитотиристоры и магнитоуправляемые микросхемы. Отмечены основные направления применения.

Введение ца [1,2], отклоняющая их к стенкам базы (или наоборот, в зависимости от направления магнитного поля и размеров Исторически первым типов транзисторов, ток через ОПТ). Поскольку скорость рекомбинации неравновескоторые зависит от внешнего воздействия, являются ных носителей на стенках базы обычно больше, чем в фоточувствительные транзисторы — фототранзисторы.

объеме, это приводит к изменению E, а соответственно Аналогичным образом и магниточувствительные тран- и V0 (рис. 1). Зависимость V0 от магнитной индукции зисторы названы магнитотранзисторами. Если в фотоB может быть использована для построения датчика транзисторах выходной ток зависит от падающего на них магнитного поля, работающего на постоянном токе. Но светового потока, то в магнитотранзисторах выходной магниточувствительность ОПТ в этом режиме не выше, ток определяется проходящим через них магнитным почем чувствительность магнитодиодов с длинной базой, током. Главной особенностью этих транзисторов, опреконструкция и схема включения которых значительно деляющих их широкое применение, является то, что оба проще [3].

типа внешних воздействий бесконтактны, т. е. источники Гораздо больший интерес представляет использование света и магнитного поля электрически изолированы в качестве датчика магнитного поля генератора на осноот чувствительных транзисторов. Так же как из свеве ОПТ, поскольку в практической электронике ОПТ тодиода и фототранзистора можно составить оптопару, в основном применяется в качестве генераторов, для из источника магнитного потока и магнитотранзистора создания которых к эмиттеру и базе (B1) ОПТ достаможно составить магнитопару, причем в качестве источточно подключить емкость. Полное дифференциальное ника магнитного потока может быть использован как сопротивление входной цепи ОПТ может быть предпостоянный магнит, так и электромагнит. Интересной ставлено в виде активной части (положительное (R+) особенностью магнитотранзистора является то, что его и отрицательное (R-) сопротивление участка эмиттер– выходной ток одновременно чувствителен и к световому база B1) и реактивной части (внутренняя индуктивность потоку. Таким образом создается возможность двойного ОПТ L) [4]. Показано в работе [5], что L и R- растут бесконтактного управления выходным сигналом — магнитным потоком и светом, что значительно расширяет функциональные возможности транзистора.

1. Однопереходные магнитотранзисторы Однопереходные транзисторы (ОПТ) действуют на основе модуляции сопротивления базы инжектированными из эмиттера носителями заряда, вследствие чего входная вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет вид S-типа (рис. 1).

Чем больше эффективное время жизни инжектированных носителей E в базе, тем глубже их проникновение в базу и тем меньше величина остаточного напряжения V0, до которого уменьшается напряжение на эмиттере после переключения из высокоомного состояния нижней части Рис. 1. Вольт-амперные характеристики германиевых однопебазы в низкоомное. При помещении ОПТ в магнитное по- реходных транзисторов в зависимости от магнитной индукции.

ле на инжектированные носители действует сила Лорен- B, Тл: 1 —0, 2 —0.3, 3 — 0.6. На вставке — схема прибора.

1 4 И.М. Викулин, Л.Ф. Викулина, В.И. Стафеев Рис. 2. Зависимость тока от магнитной индукции (a) и структура одноколлекторного магнитотранзистора (b). Кривые на рис. a соответствуют напряжению V, B: 1 — 25, 2 — 20, 3 — 15; направление магнитного поля — B. На рис. b линии со стрелками указывают направление движения носителей заряда: верхняя — в магнитном поле B, перпендикулярном плоскости рисунка (), нижняя — в поле B обратного направления ( ), средняя линия — при B = 0.

с увеличением E до тех пор, пока глубина затягивания от поверхности в глубь полупроводника) проявляется инжектированных носителей не становится равной длине в искривлении траектории инжектированных из эмитбазы l1. Так как магнитное поле влияет в основном тера носителей заряда, что приводит к увеличению эфна E, оно изменяет величины L и R-, что приводит к фективной длины базы и отклонению части носителей изменениям амплитуды и частоты колебаний напряжения от коллектора [10]. Роль последнего эффекта возрана эмиттере ОПТ [5–7]. Величина магниточувстви- стает с уменьшением ширины эмиттера и коллектора, тельности, определяемая как отношение переменного что обеспечивает увеличение магниточувствительности.

напряжения V к магнитной индукции B и току питания I Наименьшая площадь взаимного перекрытия площадей эмиттера и коллектора, определяемая глубиной диффу = V /IB, (1) зии примесей, достигается в латеральной конструкции транзистора, поэтому она и обнаруживает наибольшую достигает значения 2 · 103 В/(А · Тл). Поскольку V R-, магниточувствительность. На рис. 2, b показана струка R- ( — удельное сопротивление базы), для уветура такого магнитотранзистора (МТ); пунктиром поличения магниточувствительности необходимо испольказана область объемного заряда коллекторного p-nзовать полупроводник с большим удельным сопротиперехода. В магнитном поле B с направлением, перпенвлением. Для этой цели применялись эксклюзирующие дикулярным плоскости рисунка (B), носители отклоняконтакты к базе германиевого ОПТ. Эффект эксклюзии ются к поверхности базы, и их путь к коллектору уменьв данном случае заключается в том, что электрическое шается, а при противоположном направлении ( B) — поле в базе ОПТ выносит неосновные равновесные увеличивается, что приводит к изменению коэффициента носители (дырки) из базы через контакт B1, что позвопередачи тока hB и тока через МТ.

ляет на порядок уменьшить концентрацию равновесных В работе [11] произведен расчет зависимости hB от носителей в базе, увеличить и R- и соответственно магнитной индукции и получена формула увеличить до значения 104 В/(А · Тл) [8,9].

На основе генератора на ОПТ может быть построен hB = 1 ± µB (l + b)/A, (2) датчик магнитного поля с частотным выходом, т. е. с зависимостью частоты генерации от магнитного поля. Ча- где A = kT /qE, µ — подвижность, b — полуширина эмиттера, E — напряженность электрического поля в стотный выход датчика позволяет значительно упростить базе, стыковку датчика с ЭВМ и микроминиатюризировать измерительные устройства.

A2 2l + b µB = 1 - - A ± 2L2 2L2 bL2. Одноколлекторные A3 (l + b)3 - l3 + l + b - l A.

магнитотранзисторы Действие магнитное поля на обычные вертикальные Знаки плюс и минус при слагаемых с µB соответствуют биполярные транзисторы (области эмиттера, базы и противоположным направлениям магнитного поля: B и коллектора расположены друг за другом по направлению B соответственно.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Магниточувствительные транзисторы Рис. 3. Схема двухколлекторного магнитотранзистора (a) и зависимость напряжения между коллекторами от магнитной индукции (b) для температуры T, C: 1 — (–100), 2 — (–50), 3 —0, 4 — 60.

Экспериментальная проверка формулы (2) осуще- работает следующим образом. В отсутствие магнитного ствлялась на n-p-n-транзисторах из кремния p-типа поля инжектированные из эмиттера дырки распределяются поровну между коллекторами (сплошные линии на с = 20 кОм · см. Размеры эмиттера и коллектора рис. 3, B = 0), и их токи равны. В магнитном поле 0.6 0.6мм2, расстояние между ними l = 0.8 мм, B (пунктирные линии) поток носителей отклоняется Lp = 475 мкм, E = 600 В/см, IE = 1.5 мА. При данных в сторону коллектора C1, его ток увеличивается, а ток значениях величин членом A2/2L2 и последним слагаеколлектора C2 — уменьшается. Кроме эффекта перерасмым в выражении для можно пренебречь. Совпадение пределения носителей между коллекторами в ДМТ дейрассчитанной по (2) зависимости с экспериментальными ствует также и эффект изменения длины базы. Как видно значениями достаточно хорошее для направления магиз рис. 3, он заключается в том, что траектория движения нитного поля B.

носителей, которые попадают в C1, уменьшается, т. е.

Наибольшая магниточувствительность наблюдается сокращается эффективная длина базы, что приводит к при включении МТ как двухполюсника (цепь эмиттер– дополнительному росту тока. В коллекторе C2, наоборот, коллектор) с отключенной базой. В этом случае ток этот эффект приводит к дополнительному уменьшению r через транзистор определяется как I = IСВ/(1 - hB ).

тока [8,12]. При противоположном направлении магнитВ обычных условиях обратный ток коллекторного ного поля B ток C2 растет, а ток C1 уменьшается.

r p-n-перехода IСВ мал, коэффициент hB при микрореОчевидно, что при B = 0 разность потенциалов между жимах также мал и магниточувствительность невелика.

коллекторами V в симметричной схеме отсутствует:

r Поэтому для увеличения IСВ либо в коллектор ввоV = 0, а с ростом магнитной индукции B напряжение V дятся шунтирующие его каналы, либо в качестве базы увеличивается. Таким образом, напряжение V является используется полупроводник, близкий к собственному.

функцией величины магнитного поля, а по его знаку На рис. 2, a показаны зависимости I(B) при различных можно определить направление B. Как следует из схемы напряжениях на МТ при двухполюсном включении. С рорис. 3, величину V можно определить как стом тока магниточувствительность увеличивается, что V = Rl(IC1 - IC2) =RlIE(hB1 - hB2), (3) 21 можно объяснить увеличением hB. При токе 0.6 мА магниточувствительность порядка 2 · 104 В/(А · Тл).

где hB1, hB2 — коэффициенты передачи тока двух поло21 вин ДМТ [13,14].

Расчеты показывают, что в слабых магнитных полях 3. Двухколлекторные (µB 1) магнитотранзисторы hB1 - hB2 = 2(BE/4b )[a4 - (a - b)4], 21 Конструкция двухколлекторного магнитотранзистора где 2a — расстояние между коллекторами, 2b — ширина (ДМТ) с расположенными с двух сторон базы коллек- эмиттера, — время жизни неосновных носителей;

торами показана на рис. 3. ДМТ, например, p-n-p-типа = q/kT.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 6 И.М. Викулин, Л.Ф. Викулина, В.И. Стафеев Следует отметить, что при протекании тока основных формы. На основе таких магнитотранзисторов созданы носителей между базовыми контактами B1 иB2 в магнит- опытные образцы электронных компасов, которые не ном поле в ограниченной базе возникает эдс Холла VH. имеют механически перемещающихся элементов. С их Холловское поле отклоняет инжектированные носители помощью можно создавать системы, которые автомав ту же сторону, что и сила Лоренца, что увеличивает тически управляют курсом движения любого устроймагниточувствительность ДМТ.

ства в магнитном поле земли. Высокая чувствительПри протяженном в горизонтальном направлении ность ДМТ позволяет им реагировать на перемещение эмиттере к одной половине эмиттера относительно ба- расположенного над ними постоянного магнита. Этот зы прикладывается напряжение +VH/2, а к другой — эффект использован для построения датчиков давления и -VH/2. Эти напряжения суммируются с напряжением, перемещения. Матрица с круговым расположением ДМТ приложенным к эмиттерному p-n-переходу от источиспользуется в датчиках угла поворота.

ника питания, что приводит к неодинаковой инжекции дырок с двух половин эмиттера, а соответственно и к 4. Магнитотиристоры разности коллекторных токов. Этот эффект может также служить основой для работы ДМТ [15–29].

Любой тиристор можно представить в виде эквиваЛинейная зависимость V IEBE (3) хорошо подтверлентной схемы из двух транзисторов. Следовательно, ждается для слабых магнитных полей и низких уровней рассмотрение магниточувствительных свойств тиристоинжекции. В больших магнитных полях действие эффекров сводится к рассмотрению магниточувствительных та перераспределения носителей между коллекторами свойств составляющих транзисторов. Применяя обычослабевает (все носители идут в один коллектор), и ную методику [30,31], нетрудно показать, что напряжемагниточувствительность уменьшается. С ростом уровня ние переключения тиристора, управляемого по p-базе, инжекции увеличение концентрации инжектированных можно определить по формуле.

носителей вблизи эмиттера приводит к уменьшению сопротивления этой области и уменьшению E, поэтому 1/C Iс thr зависимость V = f (IE) становится слабее. На рис. 3, b Vsw = VCB 1 - hB1 1 + - hB2, (4) Iav приведены типичные зависимости V (B) для кремниевого ДМТ при разных температурах. Транзисторы изготавлиthr где VCB — напряжение лавинного пробоя коллекторного вались из кремния с = 200 Ом · см, a = 75 мкм, p-n-перехода, Iс — ток управляющего электрода, Isw — b = 30 мкм, длина коллекторов 200 мкм. Совместное ток в точке переключения, hB1 — коэффициент передачи действие указанных выше трех физических эффектов тока n-p-n-транзистора, hB2 — p-n-p-транзистора, в базе ДМТ обеспечивает достижение магниточувствиC — постоянная (для различных материалов равна 2–6).

тельности 5 · 105 В/(А · Тл), что в 5–10 раз выше чувствиПри управлении по n-базе коэффициенты передачи тока тельности одноколлекторного МТ. Следовательно, ДМТ в (4) меняются местами.

не является простой суммой двух одноколлекторных Используя в качестве одного из составляющих транМТ, и его следует рассматривать как самостоятельный зисторов магнитотранзистор, получим конструкцию магприбор. Кроме того, экспериментальные образцы ДМТ нитотиристора, напряжение переключения которого Vsw изготавливались также из германия и антимонида индия.

(4) управляется магнитным полем в соответствии с Существенное влияние на чувствительность ДМТ оказависимостью hB (B) (2). На вставке к рис. 4 показана зывает диффузионное размытие потока инжектирован- структура такого тиристора, причем в качестве управляных носителей в стороны коллекторов. Это приводит к ющего электрода может быть взят или контакт к базе тому, что часть инжектированных носителей изменяет n-типа c1, или контакт к базе p-типа c2 [32,33]. В касвою траекторию в магнитном поле лишь в пределах честве магнитотранзистора здесь используется p-n-p одного коллектора и не принимает участия в перерассоставляющий транзистор, эмиттер которого является пределении носителей между коллекторами, поэтому анодом (A). Процессы в нем не отличаются от процесса чувствительность уменьшается. Уменьшение диффузионизменения hB магнитотранзистора в магнитном поле.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.