Эффект Холла. Материалы для изготовления датчиков Холла (ДХ). Основные параметры ДХ и их связь со свойствами полупроводника.

Эффект Холла открыт американским физиком Эдвином Холлом в 1879 году. Сущность эффекта Холла состоит в том, что при прохождении тока через пластину в продольном направлении под влиянием магнитного поля возникает на краях пластинки в поперечном направлении разность потенциалов, обусловленная законом Лоренца (под влиянием магнитного поля токоносители смещаются к краю пластины). Эта разность по­тенциалов (ЭДС) пропорциональна величине векторного произведения на­пряженности поля и тока HI. Если материал однороден, то поток электронов имеет одинако­вую плотность. При наличии магнитного поля силы Лоренца отклоняют электроны и искривляют их траектории. Это направление тра­екторий приводит к появлению отрицательных зарядов на одной стороне пластины. На противоположной стороне накапливается нескомпенсированный положительный заряд. Накопление зарядов на противоположных гранях пластинки приводит к появлению поперечного электрического поля с напряженностью Ег, которое получило название поле Холла. Такое нако­пление зарядов продолжается, пока возникающая поперечная ЭДС не скомпенсирует силы, создаваемые магнитным полем. После этого устано­вится стационарный процесс, при котором электроны движутся параллельно граням пластины, как и при отсутствии магнитного поля. Материалы для изготовления датчиков Холла: Полупроводниковый материал, предназначенный для изготовления ДХ, должен обладать не только высокими, но и по возможности мало зави­сящими от температуры значениями постоянной Холла и подвижности но­сителей тока. Выбор полупроводникового материала для ДХ диктуется об­ластью его применения. Кристаллические датчики обычно изготавливают из германия, крем­ния, полупроводниковых соединений элементов третей и пятой групп пе­риодической системы Менделеева - антимонида индия, арсенида индия, арсенида галлия, а также твердого раствора - тройного соединения In(Aso,gPo,2). Как правило, используются полупроводники с электронной прово­димостью, поскольку они имеют значительно большую подвижность носи­телей заряда, чем полупроводники с дырочной проводимостью. Необхо­димо подчеркнуть, что свойства каждого из указанных полупроводнико­вых материалов могут существенно изменяться в зависимости от рода и количества примесей, вводимых в них. Одним из самых первых материалов, который был использован при изготовлении ДХ, предназначенных для технического применения, был германий. В качестве примеси для легирования германия чаще всего ис­пользуется сурьма, хотя для получения германия с электронной проводи­мостью могут быть применены также мышьяк и фосфор. При этом в зави­симости от количества примеси удается в довольно широких пределах из­менять параметры, характеризующие материал с точки зрения использова­ния его для изготовления ДХ. Отличительной чертой кремния как материала для изготовления ДХ является возможность получения больших значений постоянной Холла. Поэтому у кремниевых ДХ высокая магнитная чувствительность. Свойства кремния также определяются степенью легирования примесями. Допус­каемая температура нагрева кремниевого ДХ значительно больше, чем для датчиков из Ge, InAs, InSb. Главными недостатками кремниевых датчиков являются: Высокое значение и плохая стабильность остаточного напряже­ния (неэквипотенциальности); Высокое выходное сопротивление, что лимитирует снимаемую с датчиков мощность; Технологические сложности при получении качественных кон­тактов к кремниевой пластине. Особенностью ДХ, изготовленных из кремния, является их устойчи­вость к ядерному излучению. Основные параметры датчиков Холла и их связь со свойствами полупроводника: Наиболее распространенной формой ДХ является плоская пластина с двумя парами электродов. Через электроды 1-2 протекает ток 1. Эти электроды называются токовыми. Обычно они выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает рав­номерное распределение входного тока по сечению преобразователя. По мере уменьшения отношения длины к ширине начинает сказы­ваться закорачивающее действие токовых электродов. Ширина ДХ выби­рается максимально возможной, однако при ее выборе необходимо учиты­вать следующее: не всегда возможно изготовить однородный датчик, что вносит неточность в зависимость ЭДС Холла от управляющего тока и управляю­щего магнитного поля; при работе датчика на высоких частотах очень сильно будет ска­зываться влияние вихревых токов, а также паразитные индуктивности и емкости; при измерении неравномерно распределенных магнитных полей габариты ДХ могут быть ограничены самими условиями применения. Значение тока и размеры ДХ взаимосвязаны и определяются усло­виями нагрева.

Технология изготовления ДХ.

При получении полупроводниковых пластин для ДХ в настоящее время используются следующие технологии: Выпиливание кристаллической пластины Холла требуемой кон­фигурации из монокристаллического бруска. В этом случае типовой тех­нологический процесс состоит из следующих операций: вырезка пластины. Обычно пластины вырезаются на станках с вращающимся абразивным кругом, которым режут при помощи карборун­дового или алмазного порошка. Из вырезанных брусков дальнейшей рез­кой получают прямоугольные пластины с необходимым соотношением длин сторон. В последнее время также часто применяются магнитострик- ционные ультразвуковые установки. Особым преимуществом этого вида установок является возможность вырезания пластин почти любых форм; обработка поверхности пластин состоит из двух этапов. Первый - это механическая шлифовка и полирование, цель которых - устранение дефектов, возникших при резке пластин, и одновременно доводка толщи­ны пластин до заданной величины. Толщина вырезанных пластин обычно бывает не менее 200-300 мкм (это обусловлено хрупкостью полупровод­никовых материалов), однако конечная толщина пластин находится в пре­делах от 40 до 200 мкм. При меньшей толщине пластины ухудшаются ос­новные параметры ДХ за счет увеличения рассеивания носителей заряда на дефектах поверхности и соответствующего уменьшения подвижности. Шлифовка проводится при помощи порошков - карборундовых (SiC), алундовых (АЬОз) либо алмазных с соответствующим диаметром зерен (от 30 до 0,1 мкм) на плитах стеклянных, металлических, а в конце - на плитах, покрытых специальными тканями. Вторым этапом обработки поверхности является химическое трав­ление для окончательной очистки поверхности пластин; изготовление контактов к пластине. Контакты металл- полупроводниковый материал должны обладать следующими свойствами: а) контакты должны обладать малым сопротивлением но сравнению с сопротивлением пластины датчика; б) сопротивление контактов должно быть линейным по току; в) холловские контакты при отсутствии магнитного поля должны на­ходиться на эквипотенциальной поверхности. Применяют либо непосредственное приваривание проводов к пла­стине при помощи пропускания импульса тока, либо вплавливание посто­янных контактов в пластину в форме капель или слоев, к которым впо­следствии припаиваются гибкие провода. Во втором случае материал элек­тродов в виде фольги накладывается на пластинку или напыляется на нее. через соответствующим шаолон, а затем вплавливается в вакууме либо в атмосфере защитного газа; герметизация. Чаще всего полупроводниковая пластина заливает­ся синтетической смолой.

Получение пластин Холла путем напыления на подложку тонких слоев полупроводниковых материалов. Такая технология позволяет полу­чить за один цикл напыления большое число преобразователей, причем размеры активной области могут быть сделаны порядка десятых долей миллиметра. При подборе пар полупроводник - металл для контактных структур кроме хорошей электропроводности, способности образовывать омический контакт с данным полупроводником металл должен удовлетворять ряду дополнительных требований. Область контакта должна быть резкой, т.е. металл не должен проникать в полупроводник, что возможно, если он бу­дет иметь низкий коэффициент диффузии и не будет обладать смешивае­мостью с полупроводником в твердом состоянии. Кроме того, металл дол­жен быть электрически нейтрален по отношению к полупроводнику, чтобы не влиять на его проводимость в области, прилегающей к границе раздела. Необходимо также отметить, что материалы пары полупроводник - металл должны быть технологически совместимыми и соответствовать требова­ниям эффективного нанесения путем вакуумного напыления. Для полу­проводников AⁱⁱⁱBⁿ наиболее подходят металлы А¹¹¹. Они практически не растворяются в твердом состоянии в полупроводниках A^mB^v, электриче­ски нейтральны по отношению к ним и технологически совместимы в лю­бых процессах. Для получения пленочных структур полупроводник - ме­талл более всего подходит наиболее тугоплавкий из металлов А¹¹¹ алюми­ний. Его использование в составе рассматриваемых структур способно обеспечить существенное расширение рабочего температурного диапазона для измерительных преобразователей по сравнению с приборами, у кото­рых контакты выполнялись на основе пайки индием.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: