Пример исследования ЦР, касающийся определения эффективной массы

Анизотропия эффективных масс приводит к необходимости исследовать поглощение в зависимости от ориентации кристалла. На рис. 3, а и б приведены типичные резонансные кривые, полученные для кристаллов германия и кремния. Образец вырезался так, чтобы его поверхность совпадала с кристаллографической плоскостью (110). Вращением достигалась такая ориентация образца, что внешнее магнитное поле можно было направлять вдоль осей [001], [110] и [111].

Это обеспечивало полную информацию об эффекте анизотропии. Полученные данные об анизотропии эффективных масс электронов приводятся на рис. 3, в и г, экспериментальные точки сопоставляются с результатами расчета. Предполагается, что в первом случае имеется набор кристаллографически эквивалентных эллипсоидальных поверхностей равной энергии, ориентированных вдоль направлений (111), во втором случае — вдоль направлений (100).

Техническое использование эффекта магнетосопротивления выдвигает качественные требования к полупроводниковым материалам. Основными из них являются:

сочетание большой подвижности носителей тока с минимальными температурными зависимостями; высокое удельное сопротивление;

получение линейной зависимости сопротивления магниторезистора от напряженности магнитного поля и тока при возможно меньших значениях индукции подмагничивающего поля;

отсутствие выпрямляющего эффекта на контактах полупроводника с металлическим токоподводами технологичность изготовления и достижимая механическая прочность преобразователей стабильность свойств полупроводникового материала.

Ни один из известных материалов не отвечает в полной мере всем перечисленным выше требованиям. Поэтому выбор материала в значительной степени определяется областью применения магниторезисторов.

Высокую подвижность носителей тока имеют:

антимонид индия (InSb) и арсенид индия (InAs), эвтектические сплавы типа InSb — NiSb и InSb — GaSb, а также германий (Ge), теллурий (HgTe) и селенид (HgSe) ртути, антимонид (GaSb) и арсенид (GaAs) галлия. Из таблицы видно, что увеличение концентрации носителей тока ведет к уменьшению температурного коэффициента сопротивления.

Антимонид индия является одним из лучших полупроводниковых материалов для изготовления магниторезисторов. Подвижность электронов этого материала достигает 100 000 см2*в-1сек-1. Благодаря этому наблюдается сильная зависимость сопротивления магниторезистора от величины магнитного поля. Из-за высокой подвижности электронов магнитные поля с индукцией выше 0,3 тл для антимонида индия являются сильными, и кривая зависимости удельного сопротивления полупроводника в полях с более высокой индукцией становится линейной.

При соответствующем выборе материала могут быть изготовлены магниторезисторы с высокой чувствительностью к магнитному полю и малой температурной зависимостью. Эвтектические сплавы на основе антимонида индия обладают свойствами, аналогичными свойствам InSb.

Так, например, магниторезисторы в форме меандра из InSb с n=1,5*1017 см-з и начальным сопротивлением Ro=20 ом имеют относительное изменение сопротивления около 6 в поле с индукцией В=1тл и температурный коэффициент сопротивления 0,02—0,05 проц/град. Изменение сопротивления меандра из антимонида индия с высокой подвижностью носителей тока при комнатной температуре в указанном выше поле может достигать 25—28.

Арсенид индия обладает подвижностью носителей тока до 36 000 см2*в-1*сек-1 и соответственно меньшей зависимостью сопротивления от магнитного поля. Достоинством арсенида индия является слабая зависимость электропроводности от температуры. Подвижности носителей тока остальных полупроводниковых материалов, представленных в табл. 1, ниже 15 000 см2*в-1*сек-1, и эти материалы используются при создании магниторезисторов, работающих в специфических условиях, как, например, при низких или высоких температурах и т. д.

Эффект Гаусса максимален у полупроводниковых материалов с большими подвижностями носителей тока, но такие материалы, как правило, обладают малым удельным сопротивлением, поэтому, чтобы повысить омическое сопротивление магниторезисторов, их необходимо делать в виде тонких нитей. Примером могут быть «висмутовые спирали» магниторезисторов, используемые для измерения сильных магнитных полей. Полупроводниковый магниторезистор обычно имеет изоляционную подложку толщиной 0,1—0,5 мм, на которую наклеен слой вещества толщиной около 20 мкм. К полупроводниковой пластине подпаиваются или привариваются токоподводы. Часто для увеличения активного сопротивления и получения небольших габаритов магниторезистора полупроводниковая пластина изготовляется в форме меандра.

Принципиальный вид магниторезистора представлен на рис. 19, а. При такой конструктивной форме можно путем изменения длины, ширины и толщины отдельных участков меандра, а также путем выбора полупроводникового материала варьировать сопротивлением магниторезистора при отсутствии магнитного поля в широких пределах — от десятых долей ома до десятков килоом.

Как известно, коэффициент формы длинного полупроводникового магниторезистора очень мал из-за разности потенциалов Холла, возникающих на боковых гранях. Поэтому полупроводниковую пластину разделяют рядом поперечных проводящих полос. Это равносильно последовательному соединению ряда коротких магниторезисторов. Расстояние между нанесенными проводящими полосами должно быть в 4—5 раз меньше ширины полупроводниковой пластины. Общий вид магниторезистора с поперечными полосами показан на рис. 19, б. Коэффициент формы у такого магниторезистора равен 0,9—0,95. В настоящее время разработаны эвтектические сплавы полупроводниковых материалов InSb—NiSb. В таких полупроводниках полосы образуются в процессе роста кристалла. Так, например, эвтектический сплав InSb—NiSb содержит 1,8% по весу NiSb в форме параллельных иголок диаметром приблизительно 1 мкм и длиной 50 мкм.

При изготовлении из таких сплавов магниторезисторов отпадает необходимость пайки проводящих поперечных полос. Процесс изготовления преобразователя становится более технологичным. На рис. 19, в изображен эвтектический сплав InSb— NiSb в разрезе при 200-кратном увеличении. Слева показан разрез параллельно иголкам, справа — перпендикулярно. Иголки из NiSb в пластине магниторезистора надо располагать перпендикулярно вектору магнитного поля, воздействующего на преобразователь. Это необходимо учитывать при вырезании полупроводниковой пластины из кристалла. Смысл сказанного ясен из рис. 19, г, где изображены магниторезисторы, изготовленные из эвтектического сплава. Силовые линии измеряемых магнитных полей направлены параллельно плоскости пластины магниторезистора и перпендикулярно ей. Первый тип преобразователей служит для измерения осевых полей в электрических катушках. Коэффициент относительного изменения сопротивления таких магниторезисторов лишь на несколько процентов меньше, чем для диска Корбино. В ряде случаев практического использования эфекта Гаусса, например при измерении градиента поля, необходимы многоэлектродные магниторезисторы. Принципиальный вид преобразователя с тремя электродами изображен на рис. 19, д. У него две полупроводниковые пластины наклеены на подложку параллельно друг другу на расстоянии 0,1—0,2 мм. Один электрод общий.

Рис. 19. Конструкция магниторезисторов: а — магниторезистор с полупроводниковой пластиной в форме меандра; б — магниторезистор с поперечными проводящими полосами на полупроводниковой пластине; в — эвтектический сплав InSb—NiSb в разрезе при 200-кратном увеличении; г — магниторезисторы из эвтектического вещества для измерения осевых полей в электрических катушках и в зазорах магнитопроводов; д — дифференциальный преобразователь; е — дифференциальная мостовая схема на магниторезисторах

На рис. 19, е показана дифференциальная мостовая схема на магниторезисторах. Схема изготовлена на одной подложке, что уменьшает температурную погрешность и разброс параметров материала плеч моста. Площадь изоляционной подложки 30 мм². Такие преобразователи используются в измерителях малых перемещений. При смещении магниторезистора в магнитной системе, например, типа квадрупольной приращения магнитных потоков, воздействующих на смежные плечи моста, противоположны по знаку.

Магниторезисторы, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют полупроводниковую пластину толщиной до нескольких миллиметров. Пластина чаще всего спаивается из отдельных секций по торцевым плоскостям. По существу это равносильно последовательному соединению нескольких коротких магниторезисторов. Часто между секциями впаиваются медные пластины, что способствует лучшему теплоотводу. Подложка у мощных магниторезисторов применяется редко.

Для увеличения абсолютного изменения сопротивления используют последовательно соединенные магниторезисторы. Компактная конструкция при последовательном соединении дисков Корбино получается, если первую пару дисков, разделенную тонким диэлектриком, соединить общим кольцевым электродом, припаянным к окружности дисков. Связь с третьим диском осуществляется с помощью центрального электрода. Для использования в магнитопроводах с кольцевым зазором магниторезистор изготовляют трубчатой формы с электродами, расположенными на торцах.