Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №1

Конструкция и некоторые результаты исследований магнитодиодов при воздействии температур широкого диапазона

Баринов Илья


В статье рассмотрены конструкция, технология изготовления и некоторые результаты исследований чувствительного элемента датчиковой аппаратуры, в качестве которого использован магнитодиод.

Внастоящее время практически все отрасли науки и техники развиваются с учетом экологических требований. Учитывались эти требования и при создании ракетно-космической техники. Одна из основных тенденций ее развития на современном этапе — это обеспечение наименьшего урона природной среде за счет использования экологически чистых видов ракетного топлива. Наиболее чистое топливо, в котором горючим является жидкий водород, а окислителем — жидкий кислород; продукт их сгорания — обычная вода, оказывающая наименьший вред окружающей среде. Однако использование таких криогенных компонентов топлива предусматривает решение целого ряда технически сложных проблем, обусловленных низкими температурами компонентов. Одна из таких проблем — это создание чувствительного элемента датчиковой аппаратуры для контроля параметров движения угловых и линейных перемещений (частоты вращения, осевого и радиального биения валов) в ракетных двигателях, использующих криогенные компоненты топлива. Основной трудностью при разработке такого элемента, в качестве которого может быть использован магнитодиод, является обеспечение работоспособности в широком температурном диапазоне (–196…+85 °С). Магнитодиод незаменим в отдельных областях техники (например, в датчиках частоты вращения, осевого и радиального биения валов, работающих в устройствах ракетно-космической техники). Конструкция данных датчиков предусматривает наличие магнитодиода в качестве чувствительного элемента благодаря его свойствам (например, короткому времени жизни неосновных носителей заряда — 500 мкс, что обуславливает измерение высоких значений частоты вращения). Более подробно об областях применения магнитодиодов написано в [2].

Несмотря на большое число работ, посвященных экспериментальным исследованиям данного класса полупроводниковых приборов, в литературе отсутствуют какие-либо данные, позволяющие оценить работоспособность магнитодиодов при температурах криогенных сред.

Цель настоящей работы — экспериментальные исследования параметров магнитодиодов в условиях изменения температур от –196 до +85 °С.

Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n-переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника [1, 2]. 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 длины диффузионного смещения, 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 [3].

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

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 магниторезистора с последовательно включенным усилителем.

В качестве объектов исследования были выбраны планарные несимметричные бескорпусные кремниевые магнитодиоды, технология изготовления которых разработана и применяется в «НИИ физических измерений» (НИИФИ, Пенза). Чувствительный элемент магнитодиода выполнен из высокоомного кремния марки КБО-20-ДМ/20,5-Е4 и представляет собой кристалл размером 2,8×1,2×0,3 мм (во втором случае — 2,8×1,2×0,275 мм), с длиной базовой области b = 580 мкм. К контактным площадкам чувствительного элемента магнитопровода припаяны круглые проволочные выводы (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид магнитодиода
Рис. 1. Внешний вид магнитодиода

Пластины кремния КБО-20 имели кристаллографическую ориентацию по плоскости (111) и первоначальную толщину 400 мкм. Для создания n-области применяли ионы фосфора (проводили процесс низкотемпературного осаждения фосфора в диффузионной печи типа СДО-125/3-15 при температуре 820 °С в атмосфере PCL3по всей поверхности пластины с последующей фотолитографией для выявления n-области). Для создания р+-области применяли ионы бора (проводили процесс ионного легирования на ускорителе типа «Везувий-3» с защитой nи базовой областей фоторезистом). Для активации внедренных ионов бора проводили отжиг при температуре 600 °С в среде аргона в течение 40 мин. Контактные площадки к n+ и р+-областям представляют собой структуру, состоящую из слоев алюминия, ванадия, меди, сплава олово-свинец и припоя ПОС-61 (рис. 2) [4, 5].

Рис. 2. Конструкция кристалла магнитодиода
Рис. 2. Конструкция кристалла магнитодиода

С целью защиты элементов конструкции магнитодиода весь прибор покрыт лаком ФП-525. В процессе изготовления непланарная сторона пластины подвергалась процессу подшлифовки для уменьшения толщины чувствительного элемента: в первом случае с 400 до 300 мкм, во втором — с 400 до 275 мкм, а также с целью создания на непланарной стороне зон с повышенной по сравнению с планарной скоростью поверхностной рекомбинацией носителей.

Номинальное значение индукции в установке воспроизведения магнитных полей составило 0,3 Тл. Для контроля параметров при температурах +85 и –60 °С использовалась камера тепла и холода КТХ-НМ. Испытания при температуре –196 °С проводились в среде жидкого азота.

Для магнитодиодов при температурах +85, +25, –60, –196 °С были определены следующие параметры:

  • прямое напряжение UмвВ;
  • прямой рабочий ток Iномв мА;
  • максимально допустимый постоянный обратный ток при приложении к магнитодиоду обратного напряжения 100 В IобрвмА (только для температуры 25 °С);
  • магнитная чувствительность магнитодиода по напряжению γ в В/Тл;
  • степень асимметрии магнитодиода ΔγU в В/Тл.
Рис. 3. Зависимость средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции  для толщины кристалла h= 275 мкм
Рис. 3. Зависимость средних значений напряжения
на выходе магнитодиодов от температуры
для различных значений индукции
для толщины кристалла h= 275 мкм

В таблице 1 и на рис. 3 приведены значения прямого напряжения на выходе пяти магнитодиодов и зависимость средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции при токе питания Iном= 3 ±0,1 мА. Толщина кристалла h = 275 мкм.

Таблица 1. Значения напряжения на выходе магнитодиодов, В
Температура окружающей среды, °С
+25 +85 –60 –196
Значение индукции, Тл
0 +0,3 –0,3 0 +0,3 –0,3 0 +0,3 –0,3 0 +0,3 –0,3
6,99 15,09 16,29 6,99 9,38 9,18 5,89 28,86 33,38 5,88 99,80 97,80
7,59 16,40 18,69 7,98 10,80 10,70 6,19 26,06 29,06 4,38 72,30 86,30
7,19 14,49 15,49 7,29 9,18 9,28 5,79 27,86 32,68 4,78 76,70 88,60
7,59 15,89 16,90 7,69 10,30 10,00 6,49 22,16 35,67 5,18 90,70 87,70
7,19 15,59 15,99 7,49 9,88 9,38 5,88 25,46 30,48 3,98 72,90 85,90
Средние значения напряжений на выходе магнитодиодов, В
7,31 15,49 016,67 7,49 9,91 09,71 6,05 26,08 032,25 4,84 82,48 89,26

На основании таблицы 1 определялась средняя для каждой температуры и направления магнитного поля магнитная чувствительность магнитодиода по напряжению γU:

γU= Uвых/( В1В0), (1)
где Uвых— выходной сигнал по напряжению; В1— номинальное значение индукции магнитного поля (0,3 Тл); В0— нулевое значение индукции магнитного поля.
Uвых= UВ U0, (2)
где UВ— напряжение на выходе магнитодиода при индукции B1= 0,3 Тл; U0— напряжение на выходе магнитодиода при индукции В0= 0 Тл.

Таблица 2. Средние значения вольтовой магнитной
чувствительности магнитодиодов, γU, В/Тл
+25 °С +85 °С –60 °С –196 °С
+0,3 Тл –0,3 Тл +0,3 Тл –0,3 Тл +0,3 Тл –0,3 Тл +0,3 Тл –0,3 Тл
27,2 31,2 8,0 7,4 66,7 87,3 258,8 281,4

Полученные данные сведены в таблицу 2 и представлены в виде графиков на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость вольтовой магнитной чувствительности от температуры для различных значений индукции; толщина кристалла h= 275 мкм
Рис. 4. Зависимость вольтовой магнитной
чувствительности от температуры для различных
значений индукции; толщина кристалла h= 275 мкм
Таблица 3. Значения напряжений на выходе магнитодиодов, В
Температура окружающей среды, °С
+25 °С +85 °С –60 °С –196 °С
Значение индукции, Тл
0 +0,3 –0,3 0 +0,3 –0,3 0 +0,3 –0,3 0 +0,3 –0,3
9,38 23,08 26,98 9,48 16,29 15,49 7,59 36,20 42,40 6,29 99,80 110,00
5,99 10,71 11,70 6,18 7,97 8,07 4,78 22,30 25,80 5,38 95,30 90,30
5,89 11,41 13,81 6,09 8,18 8,08 4,88 25,80 29,80 4,58 90,50 90,50
5,79 10,91 10,60 5,88 7,79 7,49 4,78 24,70 24,80 4,78 95,40 84,40
6,39 12,41 13,01 6,49 8,88 8,38 5,16 23,10 27,10 5,08 79,00 92,00
Средние значения напряжений на выходе магнитодиодов, В
6,69 13,70 15,22 6,82 9,82 9,50 5,44 26,42 29,98 5,22 92,00 93,44

В таблице 3 и на рис. 5 приведены значения прямого напряжения на выходе пяти магнитодиодов и зависимость средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции при токе питания Iном= 3 ±0,1 мА. Толщина кристалла h = 300 мкм.

Рис. 5. Зависимость средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции для толщины кристалла h= 300 мкм
Рис. 5. Зависимость средних значений напряжения
на выходе магнитодиодов от температуры
для различных значений индукции
для толщины кристалла h= 300 мкм

Аналогично для таблицы 3 по формуле (1) определялась средняя для каждой температуры и направления магнитного поля вольтовая магнитная чувствительность магнитодиода, γU, В/Тл. Полученные данные сведены в таблицу 4 и представлены в виде графиков на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость вольтовой магнитной чувствительности от температуры для различных значений индукции; толщина кристалла h= 300 мкм
Рис. 6. Зависимость вольтовой магнитной
чувствительности от температуры для различных
значений индукции; толщина кристалла h= 300 мкм

Следует отметить, что зависимости, представленные на рис. 3–6, не являются линейными в основном только потому, что построены не в масштабе по оси температур (с целью экономии места). Если «удлинить» эту ось и показать на ней все значения температуры от –196 до +85 °С, то характеристика будет относительно линейной. Кроме того, для датчиков частоты вращения (а данная статья посвящена в первую очередь применению магнитодиодов, построенных именно на таких типах датчиков), линейность температурной зависимости не имеет никакого значения, так как в процессе работы датчика происходит контроль (подсчет) количества импульсов, обусловленных прохождением магнита, закрепленного на вале ротора, в непосредственной близости от датчика, то есть от магнитодиода (практическое расстояние — 5–10 мм). Амплитуда импульсов должна быть не менее 1 В. При увеличении значения выходного сигнала (при низких температурах) схема обработки «обрезает» лишнее. А при необходимости линеаризации используется процессорная обработка характеристики, и точность измерений в этом случае будет зависеть только от долговременной стабильности характеристик магнитодиода.

Таблица 4. Средние значения вольтовой магнитной
чувствительности магнитодиодов, γU, В/Тл
+25 °С +85 °С –60 °С –196 °С
+0,3 Тл –0,3 Тл +0,3 Тл –0,3 Тл +0,3 Тл –0,3 Тл +0,3 Тл –0,3 Тл
23,3 28,4 10,0 8,9 69,9 81,1 289,2 294,0

Далее на основании таблицы 2 определялась средняя для каждой температуры степень асимметрии магнитодиодов ΔγU, В/Тл:

ΔγU= ( γU+ )–( γU– ), (3)
где γU+ — чувствительность при «положительном» направлении магнитного поля; γU– — чувствительность при «отрицательном» направлении магнитного поля.

Полученные данные сведены в таблицу 5.

Таблица 5. Средние значения степени асимметрии
магнитодиодов, γU, В/Тл
+25 °С +85 °С −60 °С −196 °С
−4,0 0,6 −20,6 −22,6

Аналогично для таблицы 4 по формуле (3) определялась средняя для каждой температуры степень асимметрии магнитодиодов ΔγU, В/Тл.

Полученные данные сведены в таблицу 6.

Таблица 6. Таблица 6. Средние значения степени асимметрии
магнитодиодов, ΔγU, В/Тл
+25 °С +85 °С −60 °С −196 °С
−5,1 1,1 −11,9 −4,8

Таким образом, степень асимметрии магнитодиодов определяется как разность магнитной чувствительности магнитодиода, возникающая при изменении направления управляющего магнитного поля. В основном асимметрия для магнитодиодов зависит от технологичности изготовления (соблюдение режимов формирования областей, точности совмещения фотошаблонов и т. д.). На практике магнитодиод считается годным, если соответствует предъявляемым требованиям хотя бы при одном направлении магнитного поля.

Далее для температуры 25 °С определялся максимально допустимый постоянный обратный ток Iобр (мА) при приложении к магнитодиоду обратного напряжения 100 В. Его среднее значение для выбранной партии из пяти магнитодиодов составило 0,03 мА.

Магнитодиоды, подвергшиеся испытаниям, были выбраны из многожества образцов с другой топологией и технологией изготовления на основе предварительных экспериментальных работ как наиболее подходящие для работ в диапазоне температур от –196 до 85 °С. На данный момент проводятся работы по изготовлению и испытанию датчиков частоты вращения, использующих в качестве чувствительного элемента магнитодиоды, работоспособные в диапазоне температур от –196 до +85 °С. В дальнейшем планируется проведение работ по изготовлению и испытанию магнитодиодов, работоспособных в диапазоне температур от –60 до +250 °С.

Получены результаты исследования магнитодиодов в диапазоне температур от –196 °С (жидкий азот) до +85 °С. Показано, что магнитная чувствительность при температуре –196 °С (жидкий азот) на порядок выше, чем аналогичный параметр при нормальных условиях, что следует учитывать при разработке датчиков параметров движения, работающих при температурах криогенных сред и использующих в качестве чувствительного элемента магнитодиод. Вместе с тем, магнитная чувствительность при температуре 85 °С достаточна для получения минимального выходного сигнала с датчика порядка 1 В.

Итак, определены оптимальные конструкторско-технологические параметры для изготовления магнитодиодов, работоспособных в широком температурном диапазоне, что позволяет проектировать на их основе датчики параметров движения, в частности датчики частоты вращения, работоспособные в температурном диапазоне от –196 до +85 °С.

Литература

  1. Хомерики О. К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. М.: Энергоатомиздат, 1986.
  2. Бараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. М.: ДМК Пресс, 2001.
  3. Егиазарян Г. А., Стафеев В. И. Магнитодиоды, магниторезисторы и их применение. М.: Радио и связь, 1987.
  4. Авт. св. № 1595272 кл. H 01 L 21/18, 1989.
  5. Патент RU 2304322.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке