включения. Эксперименты с германиевыми тиристорами показали, что в этом случае напряжение включения линейно уменьшается.

Вкачестве датчика температуры можно использовать также и полевые транзисторы. В качестве термочувствительного параметра используется

зависимость Iнас = f(Т), где Iнас – ток насыщения транзистора. Если последовательно с полевым транзистором, затвор которого замкнут с истоком, включить резистор и пропустить через цепь ток, то напряжение на резисторе будет функцией температуры. Такую схему можно использовать в качестве простого датчика температуры с чувствительностью порядка 15..20 мВ/град в диапазоне температур – 60.. +125°С.

15.2.Датчики деформации

Воснове работы датчиков деформации (тензодатчиков) лежит влияние деформации полупроводника на его внутреннюю структуру. При

деформации полупроводника происходит изменение расстояния между атомами, а также структуры энергетических зон. На энергетической

диаграмме это выражается в сдвиге энергий дна зоны проводимости ЕC и потолка валентной зоны ЕV. Вследствие изменения формы изоэнергетических поверхностей изменяются также значения NC и NV.

Вэтом случае для характеристики деформации полупроводника вводится понятие эффективного изменения ширины запрещенной зоны при деформации.

изменение ширины запрещенной зоны. Коэффициенты изменения ширины

запрещенной зоны от давления (dE/dP) для основных полупроводников имеют следующие значения (в единицах 10–11 эВ/Па); 5 для Ge; –1,5 для Si;

12 для GaAs; 15 для InSb; –1,7 для GaР; 14 для GaSb.

Пользуясь понятиями эффективной ширины запрещенной зоны и ее изменения, можно определить концентрацию носителей заряда в деформированном полупроводнике:

где пi*, ni – концентрации носителей в собственном деформированном и недеформированном полупроводниках.

При полной ионизации примесей, например в полупроводнике n-типа,

концентрация основных носителей равна концентрации донорной примеси и почти не меняется при деформации полупроводника – п*п = пп. Концентрация

неосновных носителей определится в этом случае как

257

Величина Eэф существенно зависит от вида деформации. Например, при деформации всестороннего сжатия симметрия кристалла не изменяется, соответственно NС и NV также мало меняются и Egэф = Eg, т.е. эффективное

изменение ширины запрещенной зоны совпадает с ее действительным изменением.

Простейшим тензодатчиком является тензорезистор, представляющий

собой пластинку или стержень полупроводника с омическими контактами на концах (рис. 15.2). Один конец пластины закрепляется в неподвижном основании, а на другой действует сила F. Для характеристики изменения

сопротивления при деформации пользуются коэффициентом тензочувствительности, который представляет собой отношение

относительного изменения сопротивления к относительной деформации в данном направлении:

где l – размер полупроводника в направлении деформации.

Для уменьшения влияния температуры на сопротивление тензорезисторы обычно изготавливаются из примесных полупроводников, в

которых концентрация основных носителей равна концентрации примесей и не зависит от деформации. Поэтому изменение сопротивления при деформации определяется только изменением подвижности.

Рис. 15.2. Схема тензодатчика из пластины германия

Коэффициент тензочувствительности для германия и кремния имеет наибольшее значение порядка 140…175. Он существенно зависит от типа проводимости полупроводника и направления деформации. Например, для кремния р-типа максимальная чувствительность достигается в направлении [111], а для кремния n-типа – в направлении [100]. В германии n-типа m < 0, а для р-типа m > 0. Большой тензочувствительностью обладают также полупроводниковые соединения GaSb, InSb, PbTe и др. В настоящее время тензорезисторы широко используются при измерении деформаций, давления, сил, смещения, ускорения и т. д.

В качестве чувствительного элемента тензодатчика возможно использование n-р перехода. Рассмотрим влияние деформации на величину

258

В примесных полупроводниках время жизни неосновных носителей можно считать не изменяющимся при деформации, следовательно, от деформации зависят только nр и рп. Изменение концентрации неосновных носителей при деформации определяется (15.12), соответственно значение тока насыщения в деформированном р+-n переходе будет равно

Для получения максимальной чувствительности необходимо, чтобы

эффективное изменение ширины запрещенной зоны и подвижность носителей заряда изменялись согласованно по отношению к току, т.е. при уменьшении подвижности значение Eэф должно увеличиваться и наоборот.

Преимуществом тензодиодов перед тензорезисторами является их более высокая чувствительность, а также возможность измерения деформаций при всестороннем сжатии. Тензорезисторы мало чувствительны к всестороннему сжатию, так как при этом изменяется, главным образом, ширина запрещенной зоны, а подвижность меняется слабо.

15.3. Датчики магнитного поля

Рассмотрим пластинку полупроводника р-типа, через которую протекает ток, направленный перпендикулярно внешнему магнитному полю (рис. 15.3). Известно, что на заряд, движущийся со скоростью v перпендикулярно магнитному полю с индукцией В, действует сила Лоренца

Рис. 15.3. Схема возникновения ЭДС Холла (а) и датчика Холла с внешней нагрузкой (б)

259

Сила Лоренца отклоняет дырки к верхней грани полупроводника, где их концентрация увеличивается, а у нижней грани уменьшается. В результате пространственного разделения зарядов возникает электрическое поле, направленное от верхней грани к нижней. Это поле препятствует разделению зарядов, и, как только создаваемая им сила станет равной силе Лоренца,

и дальнейшее разделение зарядов прекратится.

При таком равновесии поток дырок движется через пластину, не отклоняясь. Равновесная разность потенциалов между верхней и нижней гранью образца равна:

где а – толщина образца в направлении y.

Явление возникновения поперечной ЭДС в полупроводнике, помещенном в магнитном поле, называется эффектом Холла, а UХ – соответственно напряжением Холла. Величина R называется коэффициентом Холла. Формула (15.20) справедлива для бесконечно длинного полупроводника в направлении z (если длина датчика больше 2…3d).

В электронном полупроводнике при тех же условиях сила Лоренца отклоняет электроны в том же направлении, что и дырки, т.е. к верхней грани. Это обусловлено тем, что, хотя скорость электронов и противоположна скорости дырок, совпадающей с направлением тока, знак заряда электрона также противоположен знаку заряда дырки. Коэффициент Холла для полупроводника n-типа равен:

Как следует из (15.19), для увеличения чувствительности датчиков Холла необходимо уменьшать их толщину а. Однако при этом существуют ограничения, обусловленные как технологическими трудностями получения тонких образцов, так и тем, что в результате растет рассеивание носителей заряда на поверхности, что приводит к снижению их подвижности. Эти

трудности могут быть уменьшены применением полевого эффекта для изменения толщины полупроводника.

Изготовить датчик Холла высокой чувствительности можно на основе полевого транзистора. При помещении любого полевого транзистора в

поперечное магнитное поле в его канале возникает электрическое поле Холла, как и в полупроводниковом стержне с двумя омическими контактами на концах. Полевой магнитотранзистор отличается от обычных лишь тем, что

260

в его канале имеются дополнительные боковые омические контакты для вывода ЭДС Холла (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Структура МДП-магнитотранзистора

Вреальном полупроводнике скорости движения носителей лежат в определенном интервале, поэтому поле Холла компенсирует действие силы Лоренца только для носителей, движущихся со средней скоростью. На более медленные носители сильнее действует поле Холла, а на более быстрые – сила Лоренца, изменяя траекторию их движения. Поэтому вклад в проводимость носителей, движущихся со скоростью, отличной от средней, в магнитном поле оказывается меньше.

Эффект уменьшения проводимости полупроводника в магнитном поле называется эффектом Гаусса или магниторезистивным (эффектом магнитосопротивления) и лежит в основе работы магниторезисторов.

Вполупроводнике с двумя видами носителей поле Холла меньше,

поэтому линии тока в нем непараллельны граням и эффект магнитосопротивления соответственно больше. Исключить влияние эффекта Холла можно и в полупроводнике с одним видом носителей, например, используя образцы специальной формы. Если сделать образец в виде пластинки с концентрическим расположением контактов: один в центре, а другой по окружности на равных расстояниях от первого, то ток будет протекать по радиусам. При помещении в магнитное поле, пронизывающее перпендикулярно пластину, носители будут отклоняться вдоль поверхности. Линии тока удлиняются, но накопления зарядов происходить не будет, и поле Холла не возникнет. В такой структуре, называемой диском Корбино, наблюдается максимальный эффект магнитосопротивления.

Исключить эффект Холла можно также, если на поверхность

полупроводниковой пластинки нанести узкие металлические полоски для закорачивания холловской разности потенциалов. Они должны быть

расположены перпендикулярно линиям тока и направлению индукции магнитного поля. Вместо нанесенных на поверхность полосок могут

использоваться монокристаллы с пронизывающими их металлическими иглами. Такой вариант используется для создания магниторезисторов из сплава InSb + NiSb. При выращивании монокристаллов из этого материала NiSb образует иглы высокой проводимости, которые при выборе

261

соотвествующей ориентации практически полностью исключают эффект Холла.

Если в структуре полупроводника присутствует n-p переход, эффект

магнитосопротивления за счет изменения инжекции усиливается в десятки и сотни раз. В длинных диодах (с протяженной базой) прямой ток определяется неравновесной проводимостью базовой области. Распределение

носителей в базовой области зависит от подвижности и эффективного времени жизни. В магнитном поле вследствие эффекта магнито- сопротивления уменьшается подвижность носителей и, следовательно, сильно уменьшается проводимость диода.

Магнитное поле в магнитодиодах не только уменьшает подвижность, но

иискривляет линии тока, так как в них концентрации электронов и дырок практически одинаковы и поле Холла отсутствует. Удлинение линий тока

приводит к уменьшению глубины проникновения неравновесных носителей

идополнительному уменьшению модуляции проводимости базовой области инжектированными носителями, т.е. к повышению магнито- чувствительности, которая у длинных диодов, названных магнитодиодами, во много раз превышает магниточувствительность магниторезисторов.

Искривление линий тока повышает концентрацию носителей у одной грани и понижает у другой. Поскольку эффективное время жизни носителей в тонких пластинках определяется поверхностной рекомбинацией, то

перераспределение носителей приводит к изменению роли поверхностной рекомбинации и эффективного времени жизни. Роль рекомбинации на грани, к которой отклоняются носители, возрастает, рекомбинация на второй грани почти перестает играть роль.

Рис. 15.5. Структура магнитодиода с областью высокой скорости рекомбинации (S) на одной грани (а) и влияние магнитного поля на вольт- амперные характеристики длинного диода (б)

Если скорости рекомбинации на гранях одинаковы, то эффективное

время жизни уменьшается и соответственно ток такого магнитодиода в магнитном поле уменьшается. Если скорость рекомбинации на одной грани много меньше, чем на другой (рис. 15.5, а), то при отклонении носителей к

этой грани роль рекомбинации на второй грани с высокой скоростью рекомбинации резко уменьшается. Эффективное время жизни при такой полярности магнитного поля будет возрастать, поэтому ток магнитодиода

262

также будет возрастать. При противоположном направлении магнитного поля будет наблюдаться обычный магнитодиодный эффект – ток резко убывает с ростом магнитного поля (рис. 15.5, б).

В качестве датчика магнитного поля может быть использован биполярный транзистор. В базе обычного биполярного транзистора (рис. 15.6, а), носители движутся симметрично относительно оси транзистора. Основная их часть проходит путь, равный шине базы.

Магнитное поле приводит к отклонению движения инжектированных носителей от первоначального направления приблизительно на угол Холла ϕ. Поскольку ширина базы много меньше размеров эмиттера и коллектора, то практически все носители, прошедшие базовую область, попадают в коллектор. Однако средний путь, проходимый носителями в базовой области, несколько возрастет, что приведет к увеличению их доли, рекомбинирующей в базовой области, и уменьшению коэффициента передачи тока.

Рис. 15.6. Траектории движения инжектированных носителей в магнитном поле в биполярном транзисторе с узкой (а) и широкой (б) базой

В настоящее время транзисторы изготавливаются только из германия и кремния. Поскольку подвижность носителей в германии выше, чем в кремнии, то германиевые транзисторы обладают большей чувствительностью к магнитному полю. Возможно также создание магнитотранзисторов из антимонида индия, который имеет существенно большую подвижность носителей и может обеспечить большую магниточувствительность. Однако

транзисторы из антимонида индия могут работать только при низких температурах.

Для увеличения магниточувствительности транзисторов необходимо,

чтобы искривление траектории движения инжектированных носителей приводило не только к увеличению w, но и к отклонению части носителей от коллектора (рис. 15.6б).

Этого можно достигнуть, изготовив транзистор, коллектор которого

расположен в стороне от эмиттера на одной поверхности пластины (рис. 15.7). Их магниточувствительные свойства обусловлены двумя

263

основными эффектами: изменением эффективной длины базы и отклонением инжектированных носителей от коллектора (либо к нему).

Рис. 15.7. Структура одноколлекторного магнитотранзистора

Повысить чувствительность магнитотранзистора можно путем формирования коллектора в виде двух областей. Такой магнитотранзистор представляет собой обычный биполярный транзистор, коллектор в котором разделен на две части (рис. 15.8, а). В отсутствие магнитного поля

инжектированные эмиттером носители заряда распределяются поровну между коллекторами и их токи равны. Соответственно потенциалы коллекторов одинаковы, и разность напряжений между коллекторами равна нулю.

Рис. 15.8. Структуры двухколлекторных магнитотранзисторов

Поперечное магнитное поле отклоняет поток носителей в сторону одного из коллекторов (К2), что приводит к увеличению его тока и уменьшению тока другого коллектора (К1). По этой причине потенциал одного коллектора уменьшается, а другого увеличивается, и напряжение между коллекторами растет с увеличением индукции магнитного доля. При

смене направления магнитного поля меняется и знак напряжения между коллекторами.

264

Кроме основного эффекта – перераспределения инжектированных носителей между коллекторами – в таком магнитотранзисторе одновременно действует и эффект изменения эффективной длины базы. Например, изменение траектории движения дырок в магнитном поле (рис. 15.9, а) приводит к тому, что эффективная длина базы в левой части транзистора уменьшается, а в правой увеличивается. Изменение эффективной длины базы снижает чувствительность двухколлекторного магнито-транзистора, так как он увеличивает ток коллектора К1 и уменьшает ток коллектора К2, т.е. его

действие противоположно действию эффекта перераспределения носителей между коллекторами.

Этот недостаток устранен в структуре магнитотранзистора, показанного на рис. 15.8, б. Магнитное поле здесь также перераспределяет инжектированные носители из одного коллектора в другой. Одновременно оно уменьшает эффективную длину базы в той части образца, где ток коллектора К2 увеличивается, и увеличивает в той части, где ток коллектора К1 уменьшается. Следовательно, изменение эффективной длины базы приводит к дополнительному увеличению тока коллектора К2 и дополнительному уменьшению тока коллектора К1.

Рис. 15.9. Зависимость напряжения между коллекторами магнито- транзистора от магнитной индукции (а) и влияние магнитного поля на вольт-амперную характеристику планарного тиристора (б)

При тех же рабочих токах чувствительность двухколлекторных магнитотранзисторов на два-три порядка выше чувствительности датчиков Холла. Высокая чувствительность и линейность характеристики при малых

магнитных полях позволяют использовать магнитотранзисторы в качестве датчиков слабых магнитных полей (воспроизводящие магнитные головки, электронные компасы и т. д.). В больших магнитных полях чувствительность уменьшается за счет того, что все носители уже перераспределены, и

напряжение увеличивается лишь за счет уменьшения эффективной длины базы (рис. 15.9, а).

265