Способ измерения напряженности магнитного поля и устройство для его реализации

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ ааЩ 1АЛИЕТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (Sl)4 С 01 К 33/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABT0PGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3714090/24-21 (22) 26.03.84 (46) 07.11.85. Бюл. У 41 (71) Рижский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. А.Я. Пельше (72) А.П. Медвидь, А.Н. Кривич и В.А. Беиеуш (53) 621 .317.44(088.8) (56) Афанасьев Ю.В. Средства измерения параметров магнитного поля. М.:

Энергия, 1979, с. 144-146. (54 ) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУШЕСТВЛЕНИЯ.

1 57) 1. Способ измерения напряженности магнитного поля, заключающийся в том, .что измеряют электрический ток, проходящий через полупроводниковую пластину, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона измерения, на.полупроводниковую пластину, все поверхности которой имеют минимальную скорость рекомбинации, воздействуют градиентным электрическим полем, пропускают ток через пластину в прямом и в обратном направлениях и по отношению токов определяют напряженность магнитного поля.

2. Устройство для измерения напряженности магнитного поля, представляющее собой полупроводниковую пластину с двумя электрическими контактами на торцах, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что полупроводниковая пластина выполнена в виде прямоугольной усеченной пираl l 90318 миды, все поверхности которой имеют минимальную скорость поверхностной рекомбинации, электрические контакты выполнены плоскими и располагаются на боковых поверхностях пирамиды с воэможностью изменения расстояния между плоскостями контактов по высоте пирамиды.

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для измерения слабых магнитных полей.

Цель .изобретения — расширение динамического диапазона измерений.

Под .динамическим диапазоном

ГМР-преобразователя подразумевается такая область величины магнитного поля, при которой отношение измеряемого сигнала к величине шума остается величиной постоянной.

Поставленная цель достигается тем, что при одной и той же средней концентрации электронно-дырочных пар максимальная концентрация у йоверхности пластины уменьшается за счет того, что все поверхности пластины имеют минимальную скорость рекомбинации и пластина помещена в градиентное электрическое поле.

На фиг. 1 представлена конструкция устройства для измерения напряженности магнитного поля; на фиг. 2 " электрическая схема включения устройства для измерения на пряженности магнитного поля; на фиг. 3 — вольт-амперные характеристики образца в зависимости от напряженности магнитного поля: кривые

1,I -H=0, кривые II II — Н=

1250 Э, кривые III, III — Н=

=5500 Э; на фиг. 4 -. график зависимости относительного распределения электронов и дырок по толщине полупроводниковой пластины от направления силы Лоренца; на фиг. 5— передаточная характеристика гальваномагниторекомбинационного преобразователя (кривая I) и предлагаемого устройства (кривая II).

2

Простейшая электрическая схема включения устройства для измерения напряженности магнитного поля (фиг. 2Р содержит источник питания

5 1 регистрирующее устройство 2 и полупроводниковую пластину 3 для измерения напряженности магнитного поля.

Сущность работы данного способа и устройства заключается в следующем.

Если полупроводниковую пластину поместить в градиентное электрическое поле (в данном устройстве градиентное электрическое поле создается путем выбора геометрической формы пластины, фиг. 1), то дрейфовая скорость носителей заряда будет различна по толщине полупроводни20 ковой пластины. Помещая теперь эту пластину в магнитное поле, перпендикулярное электрическому, полу.чаем переменную по толщине пластины силу Лоренца, так как F e(0< i

Ф х Н $ где е — заряд электрона;

Vx — дрейфовая скорость носителей заряда в ОХ направлении, зависящая от напряженности электрического поля Н вЂ” напряженность магнитного

30 поля.

В результате действия силы Лоренца происходит перераспределение электронно-дырочных пар по толщине пластины. Если. направление электрического и магнитного полей выбрать таким, что сила Лоренца будет направлена от поверхности у=0, где напряженность электрического поля максимальна, к поверхности =О,,10 где она минимальна, то носители заряда будут локализоваться в области сильного поля и проводимость полу 1 190318 проводннковой пластины будет расти, значит, соответственно будет расти и сила тока, протекающего через образец. Это приведет к изменению вольт-амперной характеристики пластины (фиг. 3, кривая 11). На фиг. 3 кривая 1, 1 представляет собой вольт-амперную характеристику образца в отсутствии магнитного поля.

Если направление электрического 10 и магнитного полей выбрать таким, что сила Лоренца будет направлена от поверхности у=d, где напряженность электрического поля максимальна, к поверхности =О, где она 15 минимальна, то носители будут локализоваться у поверхности =0, что приведет к уменьшению проводимости, т.е. уменьшению силы тока через полупроводниковую пластину (фиг. 3, 20 кривая ft ). При увеличении напряжен" ности магнитного поля происходит изменение величины силы Лоренца, что приводит к еще большему изменению распределения электронно-дыроч- 25 ных пар, т.е. к еще большему изменению силы тока (фиг. 3, кривые III, III ).

Распределение электронов и дырок в преобразователе представлено на З0 фиг. 4. В отсутствии магнитного поля распределение электронно-дырочных нар равновесное и представляет собой прямую линию (фиг. 4, кривая

При включении магнитного поля в пре35 образователе возникает постоянная по толщине полупроводниковой пластины сила Лоренца, которая пере- . распределяет электронно-дырочные пары. Если сила Лоренца направлена 4п от поверхности = d к поверхности

3=0, то вблизи поверхности I= ol будет наблюдаться истощение носителей заряда, а вблизи поверхности у=Ообогащение. Однако, так как поверхность у=4 преобразователя имеет максимальную скорость поверхностной рекомбинации, то истощить эту поверхность полностью не удастся, потому что сама поверхность является 50 источником генерации электронно-дырочных пар. Поверхность =0 преобразователя имеет минимальную скорость поверхностной рекомбинации, поэтому у этой поверхности наблюдается увеличение концентрации электроннодырочных пар (фиг, 4, кривая TT).

При увеличении магнитного поля вели4 чина силы Лоренца тоже увеличивается и носители заряда локализуются у поверхности у=0 в узком слое (фиг. 4, кривая 11f), причем концентрация может увеличиться на порядок по сравнению с равновесной концентрацией. Увеличение концентрации электронно-дырочных пар в узком слое у поверхности ф=О приводит к возникновению нелинейных процессов рекомбинации в этом слое. Это сужает динамический диапазон преобразователя, так как передаточная характеристика такого преобразова" теля будет линейна только в области линейной рекомбинации носителей заряда.

В устройстве у поверхности у= д, имеющей максимальную напряженность электрического поля, сила Лоренца, направленная к поверхности у=О, будет иметь максимальное значение и, так как поверхность имеет минимальную скорость поверхностной рекомбинации, то концентрация но сителей заряда уменьшится, что приведет к уменьшению силы тока через образец. У поверхности =0, имеющей минимальную скорость поверх-. ностной рекомбинации, электронно дырочные пары будут локализоваться в узком слое, однако, так как сила Лоренца на этой поверхности имеет минимальное значение и напряженность электрического поля минимальна, то концентрация носителей заряда у поверхности у=O. уменьшится. Максимальное значение локальной концентрации электроннодырочных пар у поверхностей пластины

0 и Ы будет меньше, чем у прототипа, так как средняя концентрация элек- . тронно-дырочных пар не меняется и максимальное ее значение меньше, чем у прототипа при одних и тех же значениях U u

Пример 1. Для измерения напряженности магнитного поля использовали полупроводниковую.пластину, изготовленную из монокристаллического германия с собственной проводимостью р 45 Ом.см при

300 К. Пластина быпа выполнена в виде прямоугольной усеченной пирамиды с переменным расстоянием между электрическими контактами.

Размеры верхнего основания 3,5 мм, нижнего основания — 6,0 мм, тол1190318 щина 0,2 мм, высота 3 мм. Все грани пластины для получения минимальнойскорости поверхностной рекомбина" ции травились в травителе CP-4-А с последующим кипячением в Н О .

Электрические контакты были созданы путем электролитического осаждения на торцах тонкого слоя никеля, к которому с помощью химически чис- 10 того олова, припаивалась серебряная проволока. Пластину помещали в магнитное поле, силовые линии которого были перпендикулярны силовым линиям электрического поля и боковым по- 15 верхностям усеченной пирамиды. По падению напряжения на сопротивлении нагрузки в 1 Ом были получены вольтамперные характеристики, подтверждающие уменьшение и увеличение силы 20 тока при отклонении носителеи заряда к поверхностям, имеющим минимальную и максимальную напряженность электрического поля, соответственно.

1 25

Пример 2. На этом же образ- це проводились измерения в режиме постоянного тока питания 1 =3 мА.

Вольтовая чувствительность была равна 50 мВ/Т. Температурный коэффициент чувствительности в интервале температур 10-35 С не более 0,5Ж/град.

Сопротивление образца 2 КОм. На фиг. 5 кривыми Т, 11 представлены передаточные характеристики гальваномагниторекомбинационного преобразователя и предлагаемого устройства, соответственно. Из графика видно, что применение устройства позволит расширить область измерения магнитных полей до 400 Э.

Таким образом, изобретение, сохраняя все преимущества гальваномагниторекомбинационного преобразователя, позволяет расширить динамический диапазон преобразователя в

2 разаи даетвозможность измерять магнитные полянапряженностью до400 Э.

1190318

Фиг. 1

11903 l:8

ЯФ,б

Щ филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проекмюев, 4

8j и вниипи

Тираж ?47

Заказ 6976/49

Подпиенэе