CC BY
44
. Управление. Контроль
УДК 621.315.592:546.28
И. Н. Баринов, В. С. Волков, С. П. Евдокимов
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОДИОДОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ШИРОКОГО ДИАПАЗОНА ТЕМПЕРАТУР
I. N. Barinov, V. S. Volkov, S. P. Evdokimov
RESEARCH OF MAGNETODIODES AT INFLUENCE OF WIDE TEMPERATURES INTERVAL
Аннотация. Рассмотрены конструкция, технология изготовления и некоторые результаты исследований чувствительного элемента датчиковой аппаратуры, в качестве которого использован магнитодиод. Приведены результаты испытаний магнитодиода при воздействии криогенных температур. На основе результатов испытаний рассчитаны магнитная чувствительность магнитодиодов и максимально допустимый обратный ток. Результаты исследований подтвердили перспективность использования магнитодиодов для создания датчиков физических величин.
Abstract. Results of tests of the magnetodiode are given at influence of cryogenic temperatures. On the basis of results of tests magnetic sensitivity of magnetodiodes and the most admissible return current is calculated. Results of researches confirmed prospects of use of magnetodiodes for creation of physical quantities sensors.
Ключевые слова: магнитодиод, датчик частоты вращения, криогенная температура, результат испытаний.
Key words: magnetodiode, sensor of frequency of rotation, cryogenic temperature, result of tests.
Введение
В настоящее время актуальной задачей является создание датчиков для контроля большой номенклатуры параметров в ракетных двигателях, использующих криогенные компоненты топлива: угловых и линейных перемещений, частоты вращения, давления и др. [1-3]. Создание датчиков частоты вращения для систем управления таких двигателей требует разработки чувствительных элементов, позволяющих получить высокое значение выходного сигнала и работоспособных в широком диапазоне температур (от минус 196 до 85 °С). Наиболее полно таким требованиям удовлетворяют магнитодиоды [4-6].
Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с ^-«-переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника [7, 8]. 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 [9].
В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжения происходит не на р-«-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
2014, № 3 (9)
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 бескор-пусные кремниевые магнитодиоды, технология изготовления которых разработана и применяется в НИИФИ (г. Пенза). Чувствительный элемент магнитодиода выполнен из высокоомного кремния марки КБО-20-ДМ/20,5-Е4 и представляет собой кристалл размером 2,S*1,2*0,3 мм (во втором случае 2,S*1,2*0,275 мм) с длиной базовой области b = 5S0 мкм, к контактным площадкам которого припаяны круглые проволочные выводы (рис. 1).
Пластины кремния КБО-20 имели кристаллографическую ориентацию по плоскости (111) и первоначальную толщину 400 мкм. Для создания «-области применяли ионы фосфора (проводили процесс низкотемпературного осаждения фосфора в диффузионной печи типа «СДО-125/3-15» при температуре 820 °С в атмосфере PCL3 по всей поверхности пластины с последующей фотолитографией для выявления «-области). Для создания р+-области применяли ионы бора (проводили процесс ионного легирования на ускорителе типа «Везувий-3» с защитой «- 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 «- и р+-областям представляют собой структуру, состоящую из слоев алюминия, ванадия, меди, сплава олово-свинец и припоя ПОС-61 (рис. 2).
Конструкция и технология изготовления магнитодиода
Рис. 1. Внешний вид магнитодиода
КАТОД Г10ДЛ0Ж1С« еОБІЛСТЬ
(^ОБЛАСТЬ
Рис. 2. Конструкция кристалла магнитодиода
Технологическая последовательность операций по изготовлению магнитодиода изображена на рис. 3.
1. Низкотемпературное осаждение фосфора в атмосфере РСЬ3 по всей поверхности пластины
с формированием и+-слоя
2. Фотолитография по формированию п+-области
3. Формирование р+-области
4. Формирование контактной металлизации проволочных выводов
Рис. 3. Последовательность операций по изготовлению магнитодиода
С целью защиты элементов конструкции магнитодиода весь прибор покрыт лаком ФП-525. В процессе изготовления непланарная сторона пластины подвергалась процессу подшлифовки с целью 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 составила 0,3 Тл. Для контроля параметров при температурах 85 °С и минус 60 °С использовалась камера тепла и холода КТХ-НМ. Испытания при температуре минус 196 °С проводились в среде жидкого азота.
Для магнитодиодов при температурах 85, 25 °С, минус 60 °С, минус 196 °С были определены следующие параметры:
1) прямое напряжение им, В;
2) прямой рабочий ток /ном, мА;
3) максимально допустимый постоянный обратный ток при приложении к магнитодио-ду обратного напряжения 100 В /обр, мА (только для температуры 25 °С);
4) магнитная чувствительность магнитодиода по напряжению уи, В/Тл;
5) степень асимметрии магнитодиода Дуи, В/Тл.
Результаты испытаний магнитодиодов
В табл. 1 и на рис. 4 приведены значения прямого напряжения на выходе пяти магнито-диодов и зависимости средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температу-
2014д№ 3 (9).
ры для различных значений индукции при токе питания к = 275 мкм.
= 3±0,1 мА. Толщина кристалла
Таблица 1
Значения напряжения на выходе магнитодиодов, В
Температура окружающей среды
25 °С S5 °С минус 60 °С минус 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
6,99 15,09 16,29 6,99 9,3 S 9,1S 5,S9 2S,S6 33,3S 5^ 99,S0 97,S0
7,59 16,40 1S,69 7,9S 10,S0 10,70 6,19 26,06 29,06 4,3S 72,30 S6,30
7,19 14,49 15,49 7,29 9,1S 9,2S 5,79 27,S6 32,6S 4,7S 76,70 SS,60
7,59 15,S9 16,90 7,69 10,30 10,00 6,49 22,16 35,67 5,1S 90,70 S7,70
7,19 15,59 15,99 7,49 9^ 9,3 S 5^ 25,46 30,4S 3,9S 72,90 S5,90
Средние значения напряжений на выходе магнитодиодов, В
5,22 11,07 13,S9 5,35 7,0S S,09 4,32 1S,63 26^ 3,46 5S,91 74,3 S
Рис. 4. Зависимости средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции для толщины кристалла h = 275 мкм
На основании табл. 1 определялась средняя для каждой температуры и направления магнитного поля магнитная чувствительность магнитодиода по напряжению YU:
U в
B1 B0
(1)
где ивых - выходной сигнал по напряжению; В1 - номинальное значение индукции магнитного поля (0,3 Тл); В0 - нулевое значение индукции магнитного поля;
ивых = иВ — U0,
(2)
где иВ — напряжение на выходе магнитодиода при индукции B1 = 0,3 Тл; U0 — напряжение на выходе магнитодиода при индукции В0 = 0 Тл.
Полученные данные сведены в табл. 2 и представлены на рис. 5.
Таблица 2
Средние значения вольтовой магнитной чувствительности магнитодиодов, Yu, В/Тл
25 °С S5 °С минус 60 °С минус 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 S,0 7,4 66,7 S7,3 25S,S 2S1,4
29
температура, град С
Рис. 5. Зависимость вольтовой магнитной чувствительности от температуры для различных значений
индукции; толщина кристалла h = 275 мкм
В табл. 3 и на рис. 6 приведены значения прямого напряжения на выходе пяти магнитодио-дов и зависимости средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции при токе питания 1ном = 3±0,1 мА. Толщина кристалла h = 300 мкм.
Таблица 3
Значения напряжений на выходе магнитодиодов, В
Температура окружающей среды
25 °С S5 °С минус 60 °С минус 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
9,3S 23,0S 26,98 9,4S 16,29 15,49 7,59 36,20 42,40 6,29 99,80 110,00
5,99 10,71 11,70 6,1S 7,97 8,07 4,78 22,30 25,80 5,38 95,30 90,30
5,S9 11,41 13,S1 6,09 s,1s 8,08 4,88 25,80 29,80 4,58 90,50 90,50
5,79 10,91 10,60 5,SS 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
4,7S 9,790 12,68 4,S7 7,02 7,920 3,88 18,87 24,98 3,73 65,71,00 77,87
1 л r\r\
1 сіп
9П 8П - \
DQ 8П ^ 70 - \
ІП 1 6П § 5П- \
\ • • • П Тл
С 5П ГО * 4П s ї 3П \
\
О 3П 5 2П
С 2П 1П -
ІП П
П
-196 -6П 25 85 температура, град С
Рис. 6. Зависимости средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции; толщина кристалла h = 300 мкм
2014, № 3 (9)
31
Аналогично для табл. 3 по формуле (1) определялась средняя для каждой температуры и направления магнитного поля вольтовая магнитная чувствительность магнитодиода, уи, В/Тл. Полученные данные сведены в табл. 4 и представлены на рис. 7.
Таблица 4
Средние значения вольтовой магнитной чувствительности магнитодиодов, yu, В/Тл
25 °С 85 °С минус 60 °С минус 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 81,8 289,2 294,0
Рис. 7. Зависимость вольтовой магнитной чувствительности от температуры для различных значений индукции; толщина кристалла к = 300 мкм
Далее на основании табл. 2 определялась средняя для каждой температуры степень асимметрии магнитодиодов Дуи, В/Тл:
Дуи = (Уи +) - (Уи - ), (3)
где (уи +) - чувствительность при «положительном» направлении магнитного поля; (уи -) -чувствительность при «отрицательном» направлении магнитного поля.
Полученные данные сведены в табл. 5.
Таблица 5
Средние значения степени асимметрии магнитодиодов, Ayu, В/Тл
25 °С 85 °С минус 60 °С минус 196 °С
—4,0 0,6 —20,6 —22,6
Аналогично для табл. 4 по формуле (3) определялась средняя для каждой температуры степень асимметрии магнитодиодов Ayu, В/Тл.
Полученные данные сведены в табл. 6.
Таблица 6
Средние значения степени асимметрии магнитодиодов, Ayu, В/Тл
25 °С 85 °С минус 60 °С минус 196 °С
—5,1 1,1 —11,9 —4,8
Далее для температуры 25 °С определялся максимально допустимый постоянный обратный ток /обр. (мА) при приложении к магнитодиоду обратного напряжения 100 В. Его среднее значение для выбранной партии из пяти магнитодиодов составило 0,03 мА.
. Управление. Контроль
Данные магнитодиоды, подвергшиеся испытаниям, были выбраны из многообразия образцов с другой топологией и технологией изготовления на основе предварительных экспериментальных работ как наиболее подходящие для работ в диапазоне температур от минус 196 до 85 °С. На данный момент проводятся работы по изготовлению и испытанию датчиков частоты вращения, использующих в качестве чувствительного элемента данные магнитодиоды, работоспособные в диапазоне температур от минус 196 до 85 °С.
Заключение
Получены результаты исследования магнитодиодов в диапазоне температур от минус 196 °С (жидкий азот) до 85 °С. Показано, что магнитная чувствительность при температуре минус 196 °С 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. В дальнейшем планируется проведение работ по изготовлению и испытанию магнитодиодов, работоспособных в диапазоне температур от минус 60 до 250 °С.
Список литературы
1. Баринов, И. Н. Конструктивно-технологические проблемы обеспечения долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорези-стивных датчиков давлений / И. Н. Баринов, В. С. Волков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - Спец. выпуск № 3. -С. 85-95.
2. Волков, В. С. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя / В. С. Волков, И. Н. Баринов // Приборы. - 2012. - № 7. - С. 9-13.
3. Нефедьев, Д. И. Датчики динамических давлений для сверхвысоких температур /
Д. И. Нефедьев, П. Н. Ефимов, Б. В. Цыпин // Метрология. - 2013. - № 6. - С. 16-21.
4. Дмитриенко, А. Г. Датчики частоты вращения на основе магнитодиода / А. Г. Дмитри-енко, А. А. Трофимов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2013. -№ 2 (4). - С. 38-43.
5. Баринов, И. Н. Конструкция и некоторые результаты исследований магнитодиодов при воздействии температур широкого диапазона / И. Н. Баринов // Компоненты и технологии. - 2009. - № 1. - С. 18-21.
6. Баринов, И. Н. Конструкция и некоторые результаты исследований магнитодиодов при воздействии температур широкого диапазона / И. Н. Баринов // Гетеромагнитная микроэлектроника. - 2008. - № 5. - С. 55-64.
7. Хомерики, О. К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля / О. К. Хоме-рики. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 136 с.
8. Бараночников, М. Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1 / М. Л. Бараночников. - М. : ДМК Пресс, 2001. - 544 с.
9. Егиазарян, Г. А. Магнитодиоды, магниторезисторы и их применение / Г. А. Егиазарян,
В. И. Стафеев. - М. : Радио и связь, 1987. - 88 с.
Баринов Илья Николаевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: mzungu@inbox.ru
Волков Вадим Сергеевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра приборостроения,
Пензенский государственный университет E-mail: distorsion@rambler.ru
Barinov Ilya Nikolaevich
candidate oftechnical sciences, associate professor, sub-department of information and measuring equipment,
Penza State University
Volkov Vadim Sergeevich
candidate oftechnical sciences, associate professor, sub-department ofinstrument making,
Penza State University
2014, № 3 (9)
33
Евдокимов Сергей Павлович Evdokimov Sergej Pavlovich
соискатель, applicant,
Пензенский государственный университет Penza State University
E-mail: mzungu@inbox.ru
УДК 621.315.592:546.28 Баринов, И. Н.
Исследование магнитодиодов при воздействии широкого диапазона температур /
И. Н. Баринов, В. С. Волков, С. П. Евдокимов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2014. - № 3 (9). - С. 26-33.
