Содержание к диссертации
1. ВВЕДЕНИЕ 2
2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИШ РАЗВИТИЯ ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫХ ПРИБОРОВ
2.1. Датчики Холла и магниторезисторы 7
2.2. Магнитодиоды 12
2.3. Магнитотранзисторы 18
2.4. Магниточувствительные приборы и схемы 32
2.5. Заключение и выводы 35
3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОТРАНЗИС ТОРОВ 38
3.1. Физические основы создания дрейфово-диффузионных магнитотранзисторов 38
3.2. Балансный магнитотранзистор 45
3.3. Способы обеспечения инжекции и поля дрейфа в магнито-транзисторе. 48
3.4. Зависимость тока коллектора балансного магнитотран-зистора от скрещенных магнитного и электрического полей 50
3.5. Выходные характеристики магнитотранзистора 57
3.6. Входные характеристики магнитотранзистора 65
3.7. Динамические характеристики магнитотранзистора 70
3.8. Эквивалентная схема магнитотранзистора для переменного сигнала 83
3.9. Геометрия прибора 86
3.10.Электрические режимы магнитотранзистора 88
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ 92
4.Ї. Технология изготовления германиевых и кремниевых
магнитотранзисторов 92
4.2. Методика и результаты исследования статических характеристик магнитотранзисторов 95
4.3. Температурная зависимость выходных характеристик магнитотранзистора П7
4.4. Методика и результаты исследования динамических характеристик магнитотранзистора 121
4.5. Шумы магнитотранзистора 32
5. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ 138
5.1. Перемножитель аналоговых сигналов 138
5.2. Измеритель магнитной индукции 144
5.3. Контроль качества ферромагнитных изделий 146
5.4. Считывание информации с магнитного носителя... 147
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 149
ЛИТЕРАТУРА 152
ПРИЛОЖЕНИЯ 163
Введение к работе
В последнее время все большее применение находят полупроводниковые гальваномагнитные приборы Неослабевающий интерес к гальваномагнитным явлениям и приборам, основанным на них, объясняется рядом особенностей и достоинств, основные из которыхпропорциональность выходного сигнала векторному произведению электрического и магнитного полей, действующих на прибор, отсутст-вне электрической связи между входной и выходной цепями этих приборов, малые габариты, потребляемая мощность, высокая надежность и другие. Эти особенности делают их перспективными для широкого научного и промышленного использования и позволили сконструировать серию простых, удобных и надежных измерительных приборов и функциональных устройств разнообразнейшего назначения / 1-23 /, создание которых без гальваномагнитных приборов было бы затруднительно, а в некоторых случаях - невозможно.
До недавнего времени техническое использование находили лишь датчики Холла и магниторезисторы. Основные недостатки этих приборов - относительно малая величина выходного сигнала и низкая чувствительность к магнитному полю - существенно тормозили их широкое внедрение в технику.
Открытие магнитодиодного эффекта / 24-26 / и разработка приборов на его основе - магнитодиодов различных типов, а также серийный их выпуск промышленностью нескольких стран еще более увеличили интерес к гальваномагнитным приборам.Ыагнитодиоды обладают высокой чувствительностью к магнитному полю (на 2...3 порядка большей, чем у датчиков Холла и магниторезисторов), существенной величиной выходного сигнала, однако имеют недостатки, из них наиболее существенные: сильная температурная зависимость характеристик прибора, нелинейность его выходной характеристики и относи - З тельно низкая чувствительность к малым магнитным полям.
Возрастающие с каждым годом исследования, обязанные с изучением магнитного поля Земли, разведкой полезных ископаемых, исследованием слабых магнитных полей биологических объектов и космического пространства«разработка систем пассивной навигации и внедрение некоторых автоматизированных систем, требуют создания магниточувствительных приборов, удовлетворяющих общим требованиям, предъявляемым к современным полупроводниковым приборам и обладающих высокой чувствительностью к малым магнитным полям, малым весом и габаритами, линейностью выходных характеристик.Требованиям, предъявляемым этими важнейшими народно-хозяйственными задачами в значительной степени удовлетворяют недавно разработанные магнитогранзиоторы различных типов / 27-30 /. Однако этим перспективным магниточувствительным приборам до настоящего времени в отечественной и зарубежной литературе уделено недостаточно внимания Результаты исследований, изложенные в настоящей работе, в некоторой степени восполняют этот пробел.
Цель данной работы - разработка и теоретическое и экспериментальное исследование диффузионно-дрейфовых магнитотранзисто-ров, пригодных для использования в качестве датчика слабых и средних (до 0,1 Т) магнитных полей и в перемножителях аналоговых сигналов.
В работе разработаны методы расчета статических и динамических характеристик диффузионно-дрейфового магнитотранзистора в зависимости от основных электрофизических параметров применяемого полупроводникового материала, геометрии прибора и внешних электрических и магнитных воздействий. По разработанным методикам расчитаны и изготовлены лабораторные образцы германиевых магнитотранзисторов и исследованы их основные характеристики. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 12%, На базе германиевых магнитотранзисторов разработаны и изготовлены перемножители аналоговых сигналов. Разработана и изготовлена опытная партия кремниевых приборов, использованных в разработках магнитометра и устройстве для контроля качества поверхностей изделий из ферромагнитных материалов.
На защиту выносятся следующие основные полученные новые результаты:
1. На основании анализа процессов, происходящих в структуре диффузионно-дрейфового двухколлекторного магнитотранзистора получены простые выражения для расчета чувствительности и выходных параметров прибора в зависимости от тока эмиттера, магнитного поля, действующего на пластину прибора, геометрических размеров и основных электрофизических параметров пластины.
2. Проанализированы динамические свойства прибора. Получены соотношения для расчета быстродействия прибора в зависимости от его геометрии, электрических воздействий на прибор и электрофизических характеристик применяемого материала пластины. Выявлены и исследованы причины, влияющие на линейность амплитудно-частотной характеристики и даны зависимости, позволяющие оценить амплитудно-частотную характеристику прибора. Для оценки порога чувствительности измерены и проанализированы шумы опытных образцов магнитотранзисторов. Разработана эквивалентная схема для переменного сигнала двухколлекторного диффузионно-дрейфового магнитотранзистора и даны выражения для расчета ее элементов.
3. Выявлены и проанализированы причины,влияющие на температурную зависимость выходной характеристики прибора.
4. Разработаны опытные образцы магнитотранзисторов, созданы методики и установки и проведено экспериментальное исследование основных статических и динамических характеристик магнитотранзисторов, дан анализ полученных результатов.
5. В качестве примера использования магнитотранзисторов разработаны и изготовлены аналоговый перемножитель сигналов и измеритель индукции магнитного поля.
Практическая ценность работы. Перспективы применения магнитотранзисторов достаточно широки. Разработанные методы расчета характеристик прибора и полученные количественные соотношения позволяют рассчитывать изготовляемые магнитотранзисторы с заданными характеристиками и при использовании их в качестве элемента системы или интегральной схемы обеспечивать оптимальное согласование параметров цепей.
Устройства с использованием разработанных магнитотранзисторов внедрены в производство ЦВИЙХМ, НЙЙТМ, организации іНИС ХГ# и используются в разработках ОКБ и других предприятий. Общий экономический эффект от использования результатов работ составляет более 75 тысруб. в год. Результаты внедрения и расчеты экономической эффективности приведены в приложении.
Диссертация состоит из 6 разделов, списка цитированной литературы и приложения. Объем работы І06 стр.текста, 59 рисунков, 131 наименование цитированной литературы.
Раздел I - введение.
В разделе 2 освещается современное состояние и перспективы развития гальваномагнитных приборов. В нем приведены сведения об основных методах и конструктивных решениях, позволяющих улучшить характеристики датчиков Холла и магниторезисторов. Основное внимание в разделе 2 уделено магнитодиодам, магнитотранзисторам.маг-ниточувствительным схемам и приборам. По обзору сделаны выводы и излагается цель диссертационной работы.
Раздел 3 посвящен анализу и синтезу магнитотранзисторов, разработке методов расчета и расчету основных статических и динамических характеристик прибора.
В разделе 4 приведены методики и результаты экспериментального исследования опытных образцов магнитотранзисторов предпринятого с целью проверки положений и выводов раздела 3.
В разделе 5 даны примеры использования магнитотранзисторов.
В заключении (раздел 6) кратко обобщены результаты работы и сделаны выводы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио 5-7 июня 1973 г., П Республиканском семинаре "Нелинейные аффекты в микроэлектронике и их применение", 22-25 мая 1974 г., семинаре научного совета АН УССР по проблеме "Теоретическая электротехника и электроника", 13 июня 1975 г., Четвертой региональной научно-технической конференции по применению вычислительной техники, 18-19 июня 1975г., научно-технических конференциях профессороко-преподавательского состава ХЕУ и радиофизического факультета ХГУ в 1972-1974 гг и на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, РИСХМа в 1975 - 1983 гг.
Основные положения диссертации опубликованы в 27,84,105, 106-108, 117, 118,121, 131
