Способ измерения индукции магнитного поля

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, включающий помещение в магнитное поле гальваномагниторекомбинационного датчика с примесной проводимостью и измерение падения напряжения на его токовых выводах, отличающийсятем , что, с целью увеличения чувствительности при расщирении температурного диапазона, до помещения датчика в магнитное поле увеличивают ток через датчик до величины, дальнейщее увеличение которой приводит к уменьщению падения напряжения на токовых выводах датчика. (Л 00 00 О5 00 to

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

1"

«I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ -

Т1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3686237/24-21 (22) 09.01.84 (46) 30.10.85. Бюл. № 40 (72) А. М. Конин и А. П. Сащук (71) Ордена Трудового Красного Знамени

Институт физики полупроводников

АН ЛитССР (53) 621.317.44 (088.8) (56) Пожела Ю. К. Сащук А. П. Магнитоконцентрационные эффекты.— Препринт № 17, ИФП АН ЛитССР, Вильнюс, 1983, с. 26.

ÄÄSUÄÄ 1188682 А

1511 4 G 01 R 33/06 (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, включающий помещение в магнитное поле гальваномагниторекомбинационного датчика с примесной проводимостью и измерение падения напряжения на его токовых выводах, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при расширении температурного диапазона, до помещения датчика в магнитное поле увеличивают ток через датчик до величины, дальнейшее увеличение которой приводит к уменьшению падения напряжения на токовых выводах датчика.

1188682

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при создании высокочувствительных магнитометров в широком интервале температур (от 70 до 550 К).

Цель изобретения — увеличение чувствительности при расширении температурного диапазона измерения за счет выбора такой величины тока, протекающего через гальваномагниторекомбинационный датчик с примесной проводимостью, при которой падение напряжения на датчике с увеличением тока уменьшается, возникает максимальное взаимодействие между температурными и концентрационными эффектами в полупроводнике, повышающее чувствительность датчика в широком диапазоне рабочих температур.

Физической основой предлагаемого способа является неизучавшийся ранее эффект взаимодействия с магнитным полем электронно-дырочной плазм ы. Электронно-дырочная плазма создается нагревом протекающего тока через примесный полупроводник в области отрицательного участка S-образной вольт-амперной характеристики (ВАХ), в результате чего происходит переход проводимости из примесной области в собственную. В результате этого в направлении силы Лоренца возникает градиент температур и взаимодействие этого градиента с градиентом концентраций электронно-дырочной плазмы, которое максимально при переходе проводимости из примесной области в собственнуюю.

При этом, во-первых, под действием силы

Лоренца происходит приток электроннодырочной плазмы к одной из поверхности, перпендикулярной .силе Лоренца (ГМРэффект). Во вторых, происходит группировка электронно-дырочной плазмы по энергиям в магнитном поле, т. е. одна поверхность датчика, перпендикулярная силе Лоренца, нагревается относительно другой. В третьих, возникает взаимодействие этих процессов, поскольку как электронно-дырочный холловский ток, так и потоки тепла в электроннодырочной плазме зависят и от градиента концентрации, и от градиента температуры.

Из непрерывности тока и баланса энергии в полупроводнике следует, что распределения концентрации и температур взаимосвязаны, причем эта связь максимальна при переходе от примесной проводимости к собственной.

В результате этого в магнитном поле наблюдается изменение проводимости, которое превышает изменения проводимости, вызванные ГМР-эффектом и тепловыми эффектами в отдельности, На фиг. 1 представлено распределение температуры электронно-дырочной плазмы в магнитном поле вдоль направления силы

Лоренца F при разных ее полярностях (кривые 1 и 2) и без нее (кривая 3), при нагреве датчика током питания 1„р и тем5

35 пературе окружающей среды То, при которой происходит измерение магнитного поля.

Пунктиром показаны распределения температуры носителей в области примесной проводимости (кривая 4) при токе Io и температуре окружающей среды То и также распределение температуры концентрации электронно-дырочных пар в области собственной проводимости при температуре окружающей среды Ti (кривая 5).

На фиг. 2 представлены распределения концентрации электронно-дырочной плазмы, вызванные соответствующими распределениями температур, показанными на фиг. 1, а также величины средней концентрации носителей в магнитном поле, вызванные этим распределением.

Пунктирные кривые 6 и 7 обозначают величину средней концентрации носителей электронно-дырочной плазмы в отсутствие магнитного поля при температурах То и Ть

Кривые 8 и 9 (фиг. 2) показывают распределенияя концентрации электронно-дырочной плазмы в магнитном поле при разных его полярностях в случае нагрева полупроводникового датчика током, т. е. в отрицательной ветви S-образной ВАХ. Кривые 14 и 15 — величины средних концентраций, вызванные этими перераспределениями в магнитном поле. Кривые 10 и 11 — распределение концентрации носителей электроннодырочной плазмы при температуре окружающей среды Ti, соответствующей собственной проводимости в магнитном поле при разных его направлениях. Кривые 12 и 13 — величины средних концентраций носителей, вызванные этими перераспределениями при температуре окружающей среды Ть соответствующей температуре собственной проводимостии.

Как видно из фиг, 2, изменение средней концентрации носителей, определяющее изменение сопротивления полупроводникового датчика, при нагреве его током (кривые 14 и 15) намного больше, чем при нагреве его до такой же температуры (Т ), например, термостатом (кривые 12 и 13).

Проводя измерения при различных температурах окружающей среды, полупроводниковый датчик нагревается различными токами питания до температуры Ть при которой проводимость его становится собственной. Чем больше разница в температурах Ti и окружающей среды То, тем больше изменения сопротивления в магнитном поле и тем больше чувствительность полупроводникового датчика.

На фиг. 3 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ. Магниточувствительный датчик 16 подключен своими токовыми контактами через ограничительный резистор 17 и измеритель тока 18 к источнику тока 19, индикатор напряжения 20 подключен к магниточувствительному датчику 16.

1188682 и

S2>S1

1Б

Измерения индукции магнитного поля производятся следующим образом.

На датчик 16 из кремния с удельным сопротивлением р=200 Ом-см и размерами

8)(4)(0,2 мм, при комнатной температуре подают ток Io= 1 мА, величина которого лежит в линейном участке ВАХ. При этом измеряют падение напряжения на нем Uo=

=20 В (кривая 21, фиг. 4). Далее увеличивают ток через датчик до 1)1„р (например, 1=7 мА), при котором достигается отрицательный участок S-образной ВАХ и напряжение на датчике с увеличением тока уменьшается (U=90 В), кривая 21, фиг. 4. При этом датчик нагревается до температуры

420 К, при которой проводимость его из примесной области переходит в собственную.

Величины 1 и U зависят от проводимости полупроводникового материала, температуры окружающей среды и условий теплоотдачи.

Далее магниточувствительный датчик 16 помещают в измеряемое магнитное поле, о величине которого судят по изменению напряжения в цепи датчика:

В = КЛ11, где  — индукция измеряемого магнитного поля;

К вЂ” коэффициент, зависящий от параметров полупроводникового датчика и условий теплоотдачи;

pU — изменение напряжения на полупроводниковом датчике под воздействием магнитного поля.

Применяя примесный широкозонный полупроводник, например кремний (Si), измерение магнитного поля можно производить в широком диапазоне температур от — 70 до +550 К. При различных температурах окружающей среды необходима разная величина тока, при которой проводимость полупроводника из примесной переходит в собственную область (Toe)Toi, кривая 22, фиг. 4).

На фиг. 5 показана зависимость чувствительности от тока при разных температурах. При этом чувствительность тем больше, чем больше разница в температуре окружающей среды и температуре, при которой проводимость полупроводника становится собственной.

В силу того, что при различной температуре окружающей среды токовым нагревом

20 устанавливается момент перехода проводимости полупроводникового датчика из примесной области в собственную, температурный диапазон измерения значительно расширяется от 70 до 550 К. При этом чувствительность магниточувствительного датчика наибольшая 20 мВ/Э, а температурный коэффициент чувствительности без применения схемотехники, как видно из фиг. 5, 0 25%/град.

1188682 фцг. Ф

Составитель Г. Клитотехнис

Техред И. Верес Корректор О. Луговая

Тираж 747 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор А. Лежнина

3 а к аз 674! )48

I p

Ip

ЯО Ф0 Ug Ю кр

1 2 ЮФ5Е 7 ЕнА дог.5