1.4. Оформление отчёта о лр

Отчёт о лабораторной работе должен быть оформлен при подготовке к защите по прилагаемой форме (см. приложение).

Отчёт о лабораторной работе должен быть напечатан на лис­тах формата А4. шрифтом Times New Roman. 12 кг (в таблицах -10 кг), одинарный межстрочный интервал, поля 2,5 см.

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 № 2

Исследование интенсивности 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.

1.1.Электроприборы, применяемые в повседневной жизни (на ра­боте и в быту), являются не только источником опасности пораже­ния электрическим током, но и источником электромагнитных из­лучений промышленной частоты, интенсивность которых может достигать значений, представляющих опасность для здоровья че­ловека. Это. в первую очередь, относится к тем электроприборам, применение которых подразумевает непосредственный контакт с телом человека. Например, бытовые приборы повседневного поль­зования (электрофены, электробритвы, кофемолки и др.) и ручной электроинструмент (электродрели, отрезные и шлифовальные ма­шинки и др.).

2. Принцип действия полупроводникового датчика.

Особое место среди полупроводниковых датчиков магнитного поля занимают

гальваномагниторекомбинационные преобразователи (ГМРП), что обусловлено как

их высокой чувствительностью и сравнительной простотой изготовления.

Энергетическая структура поверхности любого полупроводника всегда отличается от объемной, что обусловлено наличием в запрещенной зоне определенных разрешенных уровней энергии, связанных 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. К числу основных специфических терминов и определений параметров ГМР преобразователей относятся:

1.Выходной сигнал Uвых. Представляет собой разность выходных напряжений △U=Uвых=Uв-U0, где Uв -напряжение на выходе ГМР элемента при номинальном значении индукции магнитного поля, U0- напряжение на выходе ГМР элемента при отсутствии магнитного поля.

2.Номинальный рабочий ток. Это ток, при котором гарантируются параметры ГМР, указанные в паспорте на прибор. Определяется по формуле Iном = Uпит / (Rн + Rг),где Rг - сопротивление ГМР элемента при В = О, Rн  -сопротивление нагрузки, R - сопротивление элемента.

3.Магнитная чувствительность γ. Представляет собой отношение отношение приращения выходного сигнала ΔU_B к вызвавшей его изменение магнитной индукции ΔB, при протекании рабочего тока I =const.

4.Температурный коэффициент, определяемый по формуле ТКγ = (100 / γ_Т0) х (△γ /△Т), где γТ0 - магнитная чувствительность при нормальной (комнатной) температуре, △γ - изменение чувствительности, △Т - изменение температуры. Значение ТКγ  зависит от отношения Rг / Rн .

На рис. 1.1. показаны варианты конструкций ГМР преобразователей. На рис.1.2. – схема включения преобразователя.

Рис.1.1..Конструкции ГМР преобразователей:1-полупроводниковая пластина, 2 - контакты, 3 - выводы, 4 - область с большой скоростью рекомбинации

ГМР преобразователь представляет собой пластинку, изготовленную из проводникового материала, в которой выделена область с большой скоростью рекомбинации носителей заряда. При воздействии магнитного поля на эту область происходит изменение

Рис. 1.2. Схема включения ГМР преобразователя магнитного поля

сопротивления ГМР элемента. Воздействие магнитного поля одной полярности приводит к увеличению сопротивления ГМР элемента. Изменение полярности магнитного поля вызывает возрастание сопротивления элемента.

Режим работы ГМР преобразователя определяется значением сопротивления нагрузки Rн. Если оно в 10 раз превышает сопротивление преобразователя Rг, то последний работает в режиме питания от источника тока (Iуп = const.). В этом режиме обеспечивается  максимальная чувствительность ГМР преобразователя. При этом схема обеспечивает режим максимальной магнитной чувствительности ГМРП. Можно так подобрать значение сопротивления Rн, что будет обеспечиваться режим работы с минимальным значением температурного коэффициента магнитной чувствительности (Rг/Rн=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. Поверхность кремния окисляется на воздухе при комнатной температуре, а наличие слоя окисла у поверхности приводит к появлению слоя объемного заряда. Германий же

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.

Зависимость напряжения на  выходе ГМР от магнитной индукции линейна в широком диапазоне изменения индукций (±80 мТл) управляющего магнитного поля. При оптимальном сопротивлении  нагрузки выходной сигнал остается почти неизменным в достаточно широком диапазоне температур. Разброс значений электрических параметров составляет ±30%.