Итоговая таблица исследований мп источника

19. Заполнить картограмму измерений, указав на ней на­правление вектора магнитной индукции. Указать направления минимального и максимального градиента индукции. Найти аппроксимирующие зависи­мости изменения индукции МП в этих направлениях.

Контрольные вопросы

1. Какими величинами характеризуются постоянные и переменные магнитные поля?

2. Что является источником постоянного магнитного поля?

3. Как ведут себя различные вещества в магнитном поле?

4. Что собой представляются постоянные магниты?

5. Что такое эффект Холла?

6. Для чего может использоваться эффект Холла?

7. От чего зависит ЭДС Холла?

8. Какие физические эффекты используются для измерения интенсивности МП?

9. Принцип действия и преимущества датчиков Холла.

10. Какова цель лабораторной работы?

11. Правила пользования составляющими измерительного устройства (блок питания, мультиметр).

12. Какие и каким образом необходимо заполнить таблицы по результатами измерений и вычислений?

13. Подготовьте картограмму измерений выбранного объекта.

Лабораторная работа №3

ИсследованиеИнтенсивности магнитного поля электроприборов

Цель работы - ознакомиться методами и средствами измерения переменных МП, изучить принцип действия полупроводникового датчика МП, и приобрести навыки контроля интенсивности МП от электроприборов различного назначения.

1. Объекты исследования

Электроприборы различного назначения (выбор объекта производится преподавателем)

2. Теоретические сведения

Гальваномагнитнорекомбинационный эффект

Энергетическая структура поверхности любого полупроводника всегда отличается от объемной, что обусловлено наличием в запрещенной зоне определенных разрешенных уровней энергии. Эти уровни связаны с обрывом кристаллических связей на поверхности, наличием на ней дефектов и дислокаций, адсорбированных атомов и молекул. Вся совокупность этих энергетических уровней называется поверхностными состояниями. Энергетические уровни поверхностных состояний могут служить ловушками захвата или центрами рекомбинации. Центрами рекомбинации служат поверхностные состояния, энергетические уровни которых расположены вблизи середины запрещенной зоны под уровнем Ферми, а, следовательно, заполнены электронами. Тогда при захвате на них дырки из валентной зоны происходит акт рекомбинации.

Скорость поверхностной рекомбинации имеет размерность скорости [см/с] и определяется концентрациями центров рекомбинации на поверхности и носителей заряда, подходящих к ней.

Рассмотрим теперь плоский образец полупроводника, вдоль которого протекает ток, причем образец однородный и, следовательно, линии тока параллельны его граням, и концентрация носителей одинакова во всем объеме, если не учитывать влияние поверхностей. Однако на поверхности происходит рекомбинация электронно-дырочных пар, а, следовательно, вблизи нее этих пар будет не хватать, т.е. создается градиент концентрации от поверхности к центру образца. Если скорости поверхностной рекомбинации на обеих гранях образца одинаковые, то градиенты концентрации от одной и от другой грани образца будут одинаково искривлять траектории движения носителей. Если теперь приложить к образцу магнитное поле, то за счет силы Лоренца концентрация носителей у одной из граней увеличивается, а у другой уменьшается, за счет чего на первой скорость поверхностной рекомбинации возрастает, а на второй уменьшается. Однако общее число рекомбинирующих пар не изменится, и проводимость образца может измениться только за счет искривления траектории движения носителей, что является обычным магниторезистивным эффектом. Однако, если скорость поверхностной рекомбинации на одной грани образца существенно больше, чем на другой, то помещение образца в магнитное поле приведет к существенному росту на этой грани поверхностной рекомбинации, а это значит, что под действием магнитного поля концентрация носителей в образце будет уменьшаться, что приведет к уменьшению проводимости. Это явление и носит название гальваномагниторекомбинационного эффекта.

Гальваномагниторекомбинационный эффект проявляется в полупроводниках с проводимостью близкой к собственной.

Гальваномагниторекомбинационные преобразователи (ГМРП)

ГМРП представляет собой пластинку, изготовленную из проводникового материала, в которой выделена область с большой скоростью рекомбинации носителей заряда (рис.3.1).

При воздействии магнитного поля на эту область происходит изменение сопротивления ГМР элемента. Воздействие магнитного поля одной полярности приводит к увеличению сопротивления ГМР элемента. Изменение полярности магнитного поля вызывает возрастание сопротивления элемента.

Рис.3.2. Схема включения ГМР преобразователя магнитного поля

Режим работы ГМР преобразователя определяется значением сопротивления нагрузки Rн (рис.3.2). Если оно в 10 раз превышает сопротивление преобразователяRг, то последний работает в режиме питания от источника тока (Iуп=const.). В этом режиме обеспечивается максимальная чувствительность ГМР преобразователя. Можно так подобрать значение сопротивления R_н, что будет обеспечиваться режим работы с минимальным значением температурного коэффициента магнитной чувствительности (R_г/R_н=2.5).

Чаще всего для изготовления ГМР преобразователей используется германий, обладающий высокой подвижностью и длиной диффузионного смещения около 1 мм. В принципе, для этих целей могут быть использованы и другие полупроводниковые материалы. Поверхностной рекомбинации препятствует слой объемного заряда. Наличие слоя окисла у поверхности кремния приводит к появлению слоя объемного заряда. Германий в отличие от кремния не окисляется на воздухе, обладает меньшей шириной запрещенной зоны, и, следовательно, слой объемного заряда у поверхности германия оказывается меньшей ширины и обладает меньшей высотой барьера, чем у поверхности кремния.

Параметры ГМРП

К числу основных специфических терминов и определений параметров ГМР преобразователей относятся:

Выходной сигналU_вых. Представляет собой разность выходных напряжений△U=U_вых=U_в-U₀, гдеU_в-напряжение на выходе ГМР элемента при номинальном значении индукции магнитного поля,U₀- напряжение на выходе ГМР элемента при отсутствии магнитного поля.

Номинальный рабочий ток.Это ток, при котором гарантируются параметры ГМРП, указанные в паспорте на прибор. Определяется по формулеI_ном = U_пит / (R_н + R_г ),гдеR_г- сопротивление ГМР элемента приВ=B_О,R_н-сопротивление нагрузки.

Магнитная чувствительность γ. Представляет собой отношение отношение приращения выходного сигнала ΔU_Bк вызвавшей его изменение магнитной индукции ΔB, при протекании рабочего токаI=const.

Температурный коэффициент чувствительности, определяемый по формулеКγ=(100∆γ/γ△Т), где γ - магнитная чувствительность при нормальной (комнатной) температуре,△γ- изменение чувствительности,△Т- изменение температуры. Значение Кγзависит от отношенияR_г/R_н.

3. Оборудование и приборы для выполнения ЛР

В лабораторной работе применяется миллитесламетр типа Ф 4356 (рис. 3.3), предназначенный для измерений среднего значения индукции переменных магнитных полей в воздушных зазорах электрооборудования.

В качестве измерительного щупа используется щуп ГМРП-4 на основе гальваномагниторекомбинационного преобразователя. Параметры преобразователя приведены в табл. 3.1, характеристики миллитесламетра в таблице 3.2.

Таблица 3.1