Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 95
Текст из файла (страница 95)
Чем больше частота входного тока, тем сильнее сказывается нелинейность контактов полупроводника с металлическими электродами. Во втором случае преобразователь Холла питается постоянным управляющим током и находится в высокочастотном магнитном поле. При таком режиме работы в пластинке полупроводника нндуцнруются вихревые токи, которые вызывают ее нагрев. Вследствие этого максимально допустимый ток необходимо уменьшать при использовании преобразователя Холла в высокочастотном магнитном поле.
Применение преобразователей Холла Применение преобразователей Холла основано на том, что их выходной сигнал (ЭДС Холла) пропорционален произведению тока на магнитную индукцию. В связи с этим преобразователи 452 Холла можно применять для измерения магнитных полей, токов, а также в качестве множительных устройств, фазочувствнтельных детекторов, анализаторов спектра и т. п. й 44.3. ЫЯГНИТОРИЭМСТОРЫ Ыогннторезнстор — - зто поз5провонзиковьпт» резнстор, в котором нспольцется зовнсзсмость»лсктрнческого сопротнвлсння от няггястного поля.
Принцип действия магниторезисторов основан на магниторезистивном эффекте (см. $14.!). Поскольку холловская напряженность электрического поля, возникающая в полупроводнике с током при наличии магнитного поля, снижает магниторезистивный эффект, то конструкция магннторезистора должна быть такой, чтобы уменьшить или полностью устранить ЭДС Холла. Наилучшей формой магииторезистора является диск Корбипо (рис. 14.6, а). При отсутствии магнитного поля ток в таком магниторезнсторе проходит в радиальном направлении от центра диска ко второму электроду, расположенному по периметру диска, или наоборот. Под действием магнитного поля носители заряда отклоняются в направлении, перпендикулярном радиусу.
Так как не существует граней, на которых может происходить накопление зарядов, то ЭДС Холла в таком маг- 52 41 ннторезисторе не возникает. Другой конструкцией магниторезистора является пластинка полупроводника, ширина которой много больше ее длины (рнс. 14.6, б). Однако существенным недостатком магниторезистора такой конструкции является его малое сопротивление, для увеличения которого применяют последовательное соединение нескольких магниторезнсторов или нанесение на поверхность пластины полупроводника металлических полос (рнс. 14.6, в).
Каждая часть пластины полупроводника между двумя металлическими полосами представляет собой отдельный магниторезистор. Можно также считать, что металлические полосы выполняют роль шунтов, уменьшающих ЭДС Холла, возникающую на боковых гранях пластины полупроводника. Основным полупроводниковым материалом для магниторезисторов является антнмонид индия )п6Ь н арсеннд индия !пАз— материалы с большой подвижностью носителей заряда.
453 й ыль мдгнитодиоды и мдгнитотрднзисторы Мкгнитодноды Мнгвятоднод — зто полупроводниковый диод, з котором используется изменение нольт-вмнерной кирнктернстнкн иод действием мзгннтвого поля. Для диодов с тонкой базой (Ф'(Е) и с несимметричным р-и-переходом (например, р+-л) формулу тока насыщения запишем в соответствии с (3.31) н с учетом (1.29): г ~ Р кислу (14.15) Ю„ Следователы<о, сопротивление диода с тонкой базой под действием магнитного поля изменяется только в результате изменения подвижности неосновных носителей заряда в базе диода. Из сравнения выражений (!4.15) и (14.7) видно, что изменение тока, проходящего через диод с тонкой базой, или изменение его сопротивления в магнитном поле значительно меньше, чем в магниторезнсторе.
Таким образом, диоды с тонкой базой нецелесообразно использовать в качестве магниточувствительных полупроводниковых приборов — магнитодиодов. В диодах с толстой базой (йг)Е) прямое напряжение, приложенное к диоду, распределяется между р-и-переходом и сопротивлением базы диода: (-'тр = (7р-л+ (тр)7,. Сопротивление базы диода увеличивается в поперечном магнитном поле в результате уменьшения подвижности основных и иеосновных носителей заряда, как и в обычном магниторезисторе. Увеличение сопротивления базы диода с толстой базой может быть связано также с уменьшением времени жизни неосновных носителей, если нз-за искривления траектории движения неосновные носители будут достигать поверхности базовой области, где велика скорость их рекомбинации. В результате увеличения сопротивления базы прямое напряжение, приложенное к диоду с толстой базой, перераспределяется: уменьшается доля напряжения, приходящаяся на р-и-переход.
Этот процесс приводит к резкому уменьшению тока, проходящего через диод, так как этот ток связан экспоненциальной зависимостью с напряжением на р-л-переходе. Кроме того, ток, проходящий через р-п-переход, уменьшаегся из-за уменьшения тока насыщения, как и в диоде с тонкой базой.
Таким образом, диод с толстой базой может быть использован в качестве магннтодиода прн соответствующем выборе геометрических размеров базы диода и электрофизическнх параметров исходного материала. Обычно магнитодиоды изготовляют с толщиной базы, соответствующей нескольким диффузионным длинам неосновных носителей, т. е. толщиной в несколько мнл- 454 лнметров. Полупроводниковый материал базы, так же как и для магниторезнсторов, должен обладать большой подвижностью носителей заряда [см. соотношение (14.7)).
Этим требованиям удовлетворяют германий и кремний. Прямые ветви ВАХ германневого магнитодиода в магнитных полях с различной магнитной нндукцией показаны на рис. 14.7. Для оценки чувствительности магннтоднода к магнитному полю, по аналогии с преобразователямн Холла, используют вольтовую чувствительность. улл мл Рнс. !4.7. Прямые истин ВАХ гер из паевого м зги птоднодн, иикодяптегося з мзгвнтнык поляк с различной мнгинтиой вндукпней т'=Л(7/(Вт'), где Л!7 — изменение напряжения на магнитодиоде при внесении его в магнитное поле. Вольтовая чувствительность магнитодиодов может быть значительно выше вольтовой чувствительности преобразователей Холла из того же материала. Биполяриые магиитотраизисторы Обычно бнполя нитному полю, так рные транзисторы малочувсгвительны к магках поперечное магнитное поле приводит только к искривлению траекторий движения неосновных носителей заряда, идущих через базу от эмиттера к коллектору, что эквивалентно уменьшению эффективной подвижности !! неосновных носителей в базе транзистора.
В связи с малой толщиной базы в обычных биполярных транзисторах практически все инжектнрованные эмиттером носители достигают коллектора, несмотря на искривление траекторий их движения магнитным полем. Другой физической причиной изменения парамег. ров биполярных транзисторов в магнитном поле является изменение сопротивления базы транзистора.
Для увеличения чувствительно- 455 Рис. !4.8. Структурз биполярного мзгнитотрзизисторз с двумя коллекторами и схеме ею зклю- чеиия Мвгинтотрннзнстор — зто транзистор, и катером используется знвнсимость его кнрзктернстнк н пврииетрон от мнгнвтиого поля. сти к магнитному полю биполярные магнитотранзнсторы делают с двумя коллекторнымн переходами !рис. 14.8).
Без магнитного поля половина иижектированных носителей заряда попадает на один коллектор, половина — на другой. Магнитное поле отклоняет носители от одного коллектора к другому. По изменению токов первого и второго коллекторов можно оценить или измерить магнитную индукцию поперечного магнитного поля, используя для этого, например, своеобразную мостовую схему (рис. 14.8).
Биполярные магнитотранзисторы в диапазоне слабых магнитных полей могут иметь магнитную чувствительность, на несколько порядков большую магнитной чувствительности преобразователей Холла. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Комтролъиые вопросы 1. В чем заключается эффект Холлаэ 2. Что такое угол Холла и от чего он зависигт 3. Что такое магниторезистивный эффекту 4. Почему вольюяая чувствительность преобразователей Холла, нзготовленнык нз материала с большой подвижностью носителей заряда, оказывается иногда меньше, чем вольтова» чувствительность такнк же преобразователей нз материала с меньшей подвижностью носителейу Ь. Какую конструкцию должны иметь магниторезисторыу 6. Какие диоды можно использовать в качестве ма~иитоаиодову 7. Что такое биполярный магннтотраизистору В заключение отметим некоторые перспективы развития полупроводниковых приборов, а также проблемы, которые предстоит решить для успешного развития полупроводниковой электроники.
Одной из важнейших задач полупроводниковой электроники является увеличение рабочих частот, увеличение быстродействия полупроводниковых приборов, в том числе и интегральных микросхем. Прогресс в этом направлении достигнут значительный: максимальная частота генерации биполярных транзисторов за тридцать с лишним лет, прошедших после появления первых плоскостных транзисторов, возросла на несколько порядков и достигла !О ГГц. Значение этого параметра биполярных СВЧ- транзисторов уже близко к теоретическому пределу.
Перечислим фундаментальные физические ограничения, определяющие теоретический предел быстродействия различных полупроводниковых приборов. Первым из них является конечность времени релаксации заряда, т. е. времени установления электрической нейтральности различных частей структуры полупроводникового прибора. Время релаксации т=ееоо должно быть значительно меньше полупериода переменного сигнала. Это необходимо для того, чтобы за время изменения входного напряжения на биполярном транзисторе успела измениться высота потенциального барьера эмиттерного перехода, в полевом транзисторе — успело произойти изменение толщины канала, в варикапе — изменилась бы толщина р-л-перехода, в генераторе Ганна — сформировался бы домен и т.д.
С другой стороны, максимальная концентрация примесей в базе диодов, биполярных транзисторов или в подложке полевых транзисторов ограничена сверху обычно значениями 10"... !О" см '. Время релаксации заряда для таких концентраций примесей в кремнии получается 10 '2 ... 3.! О 'з с. Вторым фундаментальным ограничением быстродействия полупроводниковых приборов является конечность скоростей движения носителей заряда и соответственно определенное время, необходимое для отбора энергии от постоянного электрического 457 ноля носителем заряда.
Минимальное время изменения энергии электрона нв величину йТ !ьг И/(ЦЕпьэкппьад), где Е,„— максимально допустимая напряженность электрического поля, выше которой наступаег пробой; и,„ — максимальная скорость дрейфа электронов. Для кремния прн Т=ЗОО К, Е .„=3 10~ В/см, и,„= 1О' см/с получается 1ьг=0,9.10 " с. В большинстве полупроводниковых приборов процесс усиления — отбор энергии от постоянного электрического поля и передача части энергии переменному электрическому полю — происходит в р-п-переходе, где напряженность электрического поля изменяется с координатой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
