CC BY
36Конструкция и некоторые результаты исследований магнитодиодов
при воздействии температур широкого диапазона
Илья БАРИНОВ, к. т. н.
mzungu@inbox.ru
В статье рассмотрены конструкция, технология изготовления и некоторые результаты исследований чувствительного элемента датчиковой аппаратуры, в качестве которого использован магнитодиод.
В настоящее 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 магнитодио-да в качестве чувствительного элемента благодаря его свойствам (например, короткому времени жизни неосновных носителей заряда — 500 мкс, что обуславливает измерение высоких значений частоты враще-
ния). 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 магнито-диодов в условиях изменения температур от -196 до +85 °С.
Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с р-п-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 й в несколько раз больше длины диффузионного смещения, в то время как в обычных диодах (1<Ь. 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 р-п-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 бескор-пусные 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 2,8х1,2х0,3 мм (во втором случае — 2,8x1,2x0,275 мм), с длиной базовой области Ь = 580 мкм. К контактным площадкам чувствительного элемента магнитопровода припаяны круглые проволочные выводы (рис. 1).
Пластины кремния КБ0-20 имели кристаллографическую ориентацию по плоскости (111) и первоначальную толщину 400 мкм. Для создания п-области применяли ионы фосфора (проводили процесс низкотемпературного осаждения фосфора в диффузионной печи типа СДО-125/3-15 при тем-
пературе 820 °С в атмосфере РСЬ3 по всей поверхности пластины с последующей фотолитографией для выявления п-области). Для создания р+-области применяли ионы бора (проводили процесс ионного легирования на ускорителе типа «Везувий-3» с защитой п 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 п+ 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 ¡7м в В;
• прямой рабочий ток 1ном в мА;
• максимально допустимый постоянный обратный ток при приложении к магнитоди-оду обратного напряжения 100 В !обр в мА (только для температуры 25 °С);
• магнитная чувствительность магнитодио-да по напряжению уи в В/Тл;
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 16,67 7,49 9,91 9,71 6,05 26,08 32,25 4,84 82,48 89,26
Температура, °С
Рис. 3. Зависимость средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции для толщины кристалла Ь = 275 мкм
• степень асимметрии магнитодиода ДyU в В/Тл.
В таблице 1 и на рис. З приведены значения прямого напряжения на выходе пяти маг-нитодиодов и зависимость средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции при токе питания !ном = З ±0,1 мА. Толщина кристалла h = 27З мкм.
На основании таблицы 1 определялась средняя для каждой температуры и направления магнитного поля магнитная чувствительность магнитодиода по напряжению yU:
1u = ^¡ыхА-^Д)), (1)
где U„Ь1х — выходной сигнал по напряжению; В1 — номинальное значение индукции магнитного поля (0,З Тл); В0 — нулевое значение индукции магнитного поля.
^¡ых = UB-UQ, (2)
где UB — напряжение на выходе магнитодиода при индукции B1 = 0,З 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 З и на рис. З приведены значения прямого напряжения на выходе пяти маг-нитодиодов и зависимость средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции при токе питания !ном = З ±0,1 мА. Толщина кристалла h = З00 мкм.
Аналогично для таблицы З по формуле (1) определялась средняя для каждой температу-
Таблица 2. Средние значения вольтовой магнитной чувствительности магнитодиодов, уц, 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
Рис. 4. Зависимость вольтовой магнитной чувствительности от температуры для различных значений индукции; толщина кристалла Ь = 275 мкм
ры и направления магнитного поля вольтовая магнитная чувствительность магнитодиода, уц, 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 бу-
Таблица 4. Средние значения вольтовой магнитной чувствительности магнитодиодов, уц, 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 81,8 289,2 294,0
Рис. 6. Зависимость вольтовой магнитной чувствительности от температуры для различных значений индукции; толщина кристалла Ь = 300 мкм
Таблица 3. Значения напряжений на выходе магнитодиодов, В
Температура окружающей среды, °С
+25 +85 -60 -196
Значение и ндукции, 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
Таблица 5. Средние значения степени асимметрии магнитодиодов, уц, В/Тл
+25 °С +85 °С -60 °С -196 °С
-4,0 0,6 -20,6 -22,6
-196 -60 25 85
Температура, °С
Рис. 5. Зависимость средних значений напряжения на выходе магнитодиодов от температуры для различных значений индукции для толщины кристалла Ь = 300 мкм
дет 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 Ауи, В/Тл:
АУи = (УиНГиХ (3)
где уи* — чувствительность при «положительном» направлении магнитного поля; уи~ — 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 Ау№ В/Тл.
Полученные данные сведены в таблицу 6.
Таблица 6. Средние значения степени асимметрии магнитодиодов, Ауц, В/Тл
+25 °С +85 °С -60 °С -196 °С
-5,1 1,1 -11,9 -4,8
Таким образом, степень асимметрии маг-нитодиодов 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 4бр (мА) при приложении к маг-нитодиоду 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 маг-нитодиодов 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, магнит-
ная 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. Н 01 Ь 21/18, 1989.
5. Патент RU 2304322.
