Способ определения индукции магнитного поля

 

Способ определения индукции магнитного поля (МП) позволяет повысить точность определения индукции МП за счет представления выходного сигнала в частотной форме. Способ реализован в устройстве, содержащем полупроводниковый чувствительный элемент (Ш1ЧЭ) I, источник 2 регулируемого напряжения, частотомер 3, про-. . градуированный в единицах магнитной шщукции, и резистор 4 нагрузки. В ППЧЭ 1 на Р - п-структуре с S-образной вольт-амперной характеристикой и соотношением концентраций Мд донорной примеси и примеси N компенсации в п-области Nj; - Ыд 2N формируют шнур тока путем увеличения напряженности электрического поля до критического значения и определяют индукцию В из соотношения Bj kf, где k - коэффициент пропорциональности; f - частота колебания шнура тока. ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (191 (11) А1 (5l)5 С 01 R 33/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTGPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТЯЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (46) 07. 02. 90. Бюл. Р 5 (21) 3935782/24-21 (22) 30,07.85 (71) Институт проблем управления (72) В.Д.Зотов, E.П,Виноградова, В,Н,Бодров, Г,В.Ипатов, E,N.Áeëoìåñòíoâ, Т,С,Емельянова и Е.А.Кожухова (53) 621.317,44(088,8) (56) Полупроводниковые преобразователи. Под ред. 30.Ïoçeëû.-Вильнюс;

Иокслас, 1980, с. 176.

Авторское свидетельство СССР .В 953603, кл. С 01 R 33/02; 1982. (54.) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДУКЦИИ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ (57) Способ определения индукции магнитного поля (33П) позволяет повысить точность определения индукции

МП за счет представления выходного .сигнала в частотной форме, Способ реализован в устройстве, содержащем полупроводниковый чувствительный элемент (ППЧЭ) 1, источник 2 регулируемого напряжения, частотомер 3, проградуированный в единицах магнитной инцукции, и резистор 4 нагрузки, В

ППЧЭ 1 на P — n-структуре с $-образной вольт-амперной характеристикой и соотношением концентраций МА донорной примеси и примеси N„ компенсации в и-области N„, c N c 2й„формируют шнур тока путем увеличения напряженности электрического поля до критического значения и определяют индукцию В иэ соотношения ВЖЕ, где k— коэффициент пропорциональности; f —" частота колебания шнура тока. 3 ил, 1336728

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля параметров магнитного поля.

Целью изобретения является повышение точности определения индукции магнитного поля за счет представления выходного сигнала в частотной форме, 10

На чертеже приведена схема устройства, реализующего способ, Устройство содержит чувствительный элемент 1, подключенной к источнику 2 регулируемого напряжения, 15 частотомеру 3, проградуированному в единицах магнитной индукции, и

1 резистору 4 нагрузки.

Чувствительный элемент I. представляет р — n-структуру, выполненную 20 из кремния„легированного фосфором.

Концентрация фософра N равна, 1

lO С одной стороны структу" см ры проведена компенсация фосфора зо 25 лотом, при этом электроны с донорных уровней фосфора переходят на акцепторные уровни золота. Концентрация золота 1ч„снижается от поверхности диффузии,и в объеме чувствительного . З0 элемента лежит в пределах N„ N* c.2И„.

С противоположной стороны структуры проведена диффузия алюминия до конI8 1 центрации N, равной 10 — —, чем

А см 35

+ создана р -область.

Такая структура чувствительного элемента обеспечивает S-образную вольт-амперную характеристику и способность к генерации колебаний под 40 действием магнитного поля.

При подаче напряжения питания от

° регулируемого источника 2 р+-и-пере,ход открыт. Напряженность поля рас-: пределена по структуре в соответствии 45 с неравномерностью распределения концентраций носителей по длине структу-; ры и неравномерностью их компенсации.

По мере увеличения напряжения пита-50 ния и, как следствие, напряженности электрического поля до критического уровня происходит энергетический разогрев электронов, находящихся на уровнях золота как в n-, так и в р-областях. При этом за счет неравномерности распределения исходной концентрации напряженность поля по длине чувствительного элемента изменяется неодинаково и энергии электро- нов также различны. d месте наибольшей концентрации (наименьшей компенсации) напряженность электрического поля максимальна и энергетический разогрев носителей максимален. Часть электронов получает энергию, достаточную для перехода с компенсирующего дырочного энергетического уровня в зону проводимости, что вызывает уменьшение сопротивления и дальнейшее увеличение напряженности в этом месте, а это в свою очередь увеличи. вает количество носителей, переходящих в зону проводимости. Происходит лавинообразный процесс, приводящий к полному выбросу электронов с дырочных энергетических уровней компенсации в зону проводимости.

Структура переходит в состояние отрицательного дифференциального сопротивления, в ней образуется шнур тока. Сопротивление чувствительного элемента i в шнуре резко падает до цвух порядков. Напряженность электрического поля резко возрастает. При этом напряжение, приложенное к чувствительному элементу, практически полностью падает на области максимальной проводимости (на шнуре тока).

Напряженность электрического поля вне шнура падает. Электроны, перешедшие до этого в зону проводимости, возвращаются на компенсирующие уровни золота. B отсутствие магнитного поля шнур тока остается стабильным.

При воздействии на чувствительный элемент магнитного поля на шнур тока и носители тока вне шнура действует сила Лоренца, При ориентации силовых линий магнитного поля параллельно р -и-переходу (перпендикулярно шнуру тока) и перпендикулярно силовым линиям электрическбго поля сила

Лоренца отклоняет свободные электроны, свободные дырки и шнур тока в направлении, перпендикулярном силовым линиям полей (вправо или влево в зави. симости от направления силовых линий: .на плоскость чертежа или от нее соответственно). При,этом в областях и и р образца действие магнитного

+ поля вызывает различные процессы. В и-области свободных дырок мало, электроны вне шнура находятся на уровнях компенсации и их тоже мало. В этих условиях шнур тока может смещаться по . структуре без разрушения (при услоj336728

40.

ВНИИПИ Заказ 499 Тираж 569 Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, r. Ужгород, ул. Проектная, вии достаточно равномерного распределения начальной концентрации и компенсации). В р -области имеется большое количество свободных дырок,. а электроны находятся на уровнях компенса" ции золота (напряженность электрического поля вие шнура мала) . Под действием магнитного поля свободные дырки дрейфуют по чувствительному элементу и создают у ближайшей стенки шнура область повышенной рекомбинации.

Так как электронов к этой стенке шну, ра подходит на 2-3 порядка меньшее количество, то начинается процесс разрушения шнура, сопротивление шнура в р -области увеличивается, начинается новое распределение напряженности электрического поля по структу" ре: в области шнура она падает, вне 2р шнура растет. Уменьшение напряженности электрического поля в шнуре приво" дит в переходу части электронов на уровни компенсации золота, Происходит второй лавинообразный процесс (разру- 25 шение.шнура), после чего состояние структуры возвращается к исходному и весь процесс повторяется.

Увеличение индукции магнитного поля В приводит к увеличению силы Ло- Зо ренца F> действующей на носитель заряда и равной

F„ qvB, где q - заряд электронов; ч -скорость носителя заряда.

При этом число свободных дырок, подходящих к шнуру, возрастает, ско. рость рекомбинации увеличивается, шнур разрушается быстрее и увеличивается частота колебаний тока.,Таким образом, частота колебаний тока эависит от величины магнитной индукции и возрастает с ее увеличением.

Измерение частоты колебаний частотомером 3, подключенным к нагрузочному резистору 4 и проградуированному в единицах магнитной индукции,. позволяет однозначно определить величину индукции магнитного поля.

При реализации способа не- важен порядок воздействия электрического и магнитного полей на чувствительный элемент, т,е, шнур тока можно форми-: ровать как до, так и после помещения элемента в магнитное поле.

Формула изобретения

Способ определения индукции магнит» ного поля, включающий воздействие взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей на полупроводниковый чувствительный элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения точности,, в полупроводниковом чувствительном элементе на р+-и-струтуре с S-образной вольт-амперной характеристикой и.. соотношением концентраций донорной примеси N< и -примеси компенсации Мк в и-области NÄ c N* 20„,формируют шнур тока путем увеличения напряженности электрического поля до критического значения и определяют индукцию В из соотношения

В k.f

) где k — коэффициент пропорциональности, частота колебаний шнура тока.