11.2.3 Магнитодиоды

11.2.3 Магнитодиоды

Магнитодиодом (МД) называется преобразователь магнитного поля, принцип действия которого основан на магнитодиодном эффекте .

Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с р-п переходом и  невыпрямляющими контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника (рис.11.22а). Отличие от обычных полупроводниковых диодов состоит в том, что магнитодиод изготавливается из высокоомного полупроводникового материала, проводимость которого близка к собственной, а ши­рина базы d в несколько раз больше диффузионной длины пробега носителей L, в то время как в обычных диодах d < L. В «длинных» диодах при прохождении электрического тока определяющими становятся процессы, зависящие от рекомбинации и движения неравновесных носителей заряда в базе и на поверхности .

В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магни-тодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжения происходит не на р-п переходе, как в диоде, а на высокоомной базе.

     Общий

а)                                                                                         б)                    в)

Рис.11.22. Принцип действия магнитодиода: а – конструкция перехода, б – вольтамперная характеристика, в – схема включения

Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле, то произойдет увеличение сопротивления базы. Сопротивление базы увеличивается и за счет повышения роли поверхностной рекомбинации отклоняющихся к поверхности полупроводника носителей заряда.Эквивалентную схему магнитодиода можно представить в виде магниторезистopa с последовательно включенным усилителем. Типичная вольтамперная характеристика «торцевого» магнитодиода приведена на рис.11.22. 6.

Схема включения магнитодиода показана на рис.11.22 в.

Для магнитодиодов характерны следующие специфические параметры и термины.

1.Прямое напряжение Uп. Падение напряжения на магнитодиоде в проводящем направлении при пропускании через него номинального прямого тока Iном и в отсутствии поперечного магнитного поля.

2.Прямой рабочий ток Iном. Значение прямого (неизменного во времени) тока через магнитодиод, длительное протекание которого не вызывает его недопустимого перегрева прибора.

3.Максимально допустимый прямой импульсный ток Iном имп. Ток, определяемый из условий, что длительность импульса должна быть не более 6 мс, а средняя рассеиваемая мощность на магнитодиоде не превышает допустимую.

4.Максимально допустимый постоянный обратный ток Iобр. Ток, равный значению обратного тока при приложении к магнитодиоду обратного напряжения в 100 В.

5. Максимально допустимая рассеиваемая мощность Pмакс. Мощность, определяемая из условий, что магнитодиод помещен в среду неподвижного воздуха при температуре 25 °С, а температура р-п перехода магнитодиода при этом не превышает допустимую.

6. Выходной сигнал (по напряжению) Uвых. Представляет собой разность выходных напряжений △ U  = Uвых = Uв – U0, где Uв – напряжение на выходе магнитодиода при номинальном значении индукции магнитного поля, U0 – напряжение на выходе магнитодиода при отсутствии магнитного поля (В = 0).

7. Магнитная чувствительность магнитодиода по напряжению γu. Отношение напряжения выходного сигнала магнитодиода к значению номинальной индукции: γu = Uвых / Вном, где Uвых – напряжение сигнала на выходе магнитодиода.

8. Магнитная чувствительность магнитодиода по току γi. Отношение выходного тока сигнала магнитодиода к значению номинальной индукции γi  = Iвых/ Вном.

Для изготовления МЧЭ элементов магнитодиодов в основном используются германий (Ge) и кремний (Si).

В настоящее время существует широкая номенклатура магнитодиодов, отличающихся  технологией изготовления и конструктивным оформлением. При производстве магнитодиодов используются сплавная, биполярная, МОП и другие  технологии.

  Преимуществом германиевых магнитодиодов является высокая удельная магнит­ная чувствительность при низких напряжениях источника питания. Наивысшая чув­ствительность этих магнитодиодов достигается при больших значениях сопротивле­ния нагрузки (Rн = 1-100 МОм), но при этом сильно увеличивается постоянная времени и возрастает напряжение питания.

Главным недостатком германиевых магнитодиодов считается сравнительно низкая предельная температура эксплуатации  до +85 °С.

Применение магнитодиодов.Магнитодиоды применяются в качестве чувствительных элементов в функ­ционально-ориентированных магнитных датчиках: скорости и направления вращения, угла поворота и преобразователях типа «угол-код», уровня и т.п. Их используют в бесконтактной клавиатуре ПЭВМ, вентильных электродви­гателях, бесконтактных реле предельного тока, регуляторах электрической мощности, в бытовой электронной аппаратуре, системах автоматического уп­равления, устройствах считывания информации ЭВМ, в электронных и элек­трифицированных игрушках и т.д.

Высокая магнитная чувствительность магнитодиодов позволяет использовать их в бесконтактных системах электронного зажигания; системах умножения и де­ления; схемах измерения электрической мощности и мощности СВЧ излучения; в магнитной дефектоскопии для контроля качества проката труб, стальных де­талей, рельсов, элементов ходовой части транспорта; в биологии и медицине в качестве датчиков измерения пульса, кровяного давления и глубины дыхания и т.д.

Современная групповая технология ИС позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного поля на основе магнитодиодов, которые могут фор­мироваться как в линейные, так и в матричные магниточувствительные структу­ры с различным способом организации. Основное назначение таких приборов – это использование их в системах визуализации магнитного поля и устройствах считывания информации с магнитных носителей (лент, карт и т.п.).

Особенности применения магнитодиодов.При использовании магнитодиодов необходимо учитывать те же требования и условия, что и при эксплуатации других типов преобразователей магнитного поля, а также те, которые указаны в нормативно-технической документации.

Магнитодиоды следует устанавливать таким образом, чтобы силовые линии источника управляющего магнитного поля были перпендикулярны боковым гра­ням полупроводниковой структуры. Допускается работа нескольких магнитоди­одов при их последовательном соединении.

Схемы включения магнитодиодов. Схему включения магнитодиода выбирают исходя из конкретных условии применения и, как правило, индивидуально для каждого типа приборов.

На рис11.23. даны без объяснений две простейшие схемы включения магнитодиодов  в электрическую схему.

Рис.11.23. Простейшие схемы включения магнитодиодов а – в транзисторный каскад, б – к опера­ционному усилителю