Конструкция и некоторые результаты исследований магнитодиодов при воздействии температур широкого диапазона

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).

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 n^–и 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].

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 U_мвВ;
• прямой рабочий ток I_номв мА;
• максимально допустимый постоянный обратный ток при приложении к магнитодиоду обратного напряжения 100 В I_обрвмА (только для температуры 25 °С);
• магнитная чувствительность магнитодиода по напряжению γ в В/Тл;
• степень асимметрии магнитодиода Δγ_U в В/Тл.

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 I_ном= 3 ±0,1 мА. Толщина кристалла h = 275 мкм.

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

где U_вых— выходной сигнал по напряжению; В₁— номинальное значение индукции магнитного поля (0,3 Тл); В₀— нулевое значение индукции магнитного поля.

где U_В— напряжение на выходе магнитодиода при индукции B₁= 0,3 Тл; U₀— напряжение на выходе магнитодиода при индукции В₀= 0 Тл.

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

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 I_ном= 3 ±0,1 мА. Толщина кристалла h = 300 мкм.

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

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.

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

где γ_U+ — чувствительность при «положительном» направлении магнитного поля; γ_U– — чувствительность при «отрицательном» направлении магнитного поля.

Полученные данные сведены в таблицу 5.

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

Полученные данные сведены в таблицу 6.

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 I_обр (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.