CC BY
17
УДК 621317.39
МГТРОЛОГИЧГСКИГ ХАРАКТГРИГТИКИ ПГРПИЧНЫ X И1МГРИТГЛ Ы1Ы X П эЕСБРЛЗОВЛТЕЛ Е >1 ИЛ ОСНОВЕ ОСЦИЛЛ ИСТОРНОГО ЭФФЕКТА
А. И. Черед об. А. В. Цслкаиов Омский зосюарстванный технический yvueopeumem, з. Омск. Россия
Аннотация - Разработка первичных измерительных преобразователен с прямым преобразованием различных физических величин б частоту и исследование их хартстернсгпк является актуальной задачей. R тайной р л боте оттглнм тарлктерпгтпкн первичных т!чсрптрлышт преогрл%оклтелей с члгтот-пым выходным сигналом па оснсвс осинллпсторпого эффекта в электронном гермапнп. Получена, тго ч\ «ti uuie.ibuucib лррибри *ив;и e.ieii iiubbtui:ieirM при ииыижеиши ж«ми«раiуры. Оирие.ины |р:шиды линейности статической характеристики преобразования для преобразователен напряжения н магнитно rt нндукшш. Описаны способы расширения диапазон.-) преобразования. Приведены результаты экспериментальных леглетоклннп ощчтлигтпрныг преоорл^оилтелей нлпряженпя и млгнптной ин.тукппгт при комнатных и криогенных температурах.
Алючсшк слплл: игмрртттетннмп преобрл«тлтр.тк, пспиллистор, члгтогтнмй выход, чунстлитеткногть сенсора, диапазон преобразавання.
L ВВЕДЕНИЕ
Результаты исследований показывают, что при возникновении некоторых типов неустойчивости в полупроводниковых образцах в них самопроизвольно возбуждаются колебания электрического напряжения. Частота этих колебании может зависеть от многих факторов, что представляется перспектив тем с точки зрения исполь 1шани1 исдибыых ыеусдойчнвисген для uucipunuu часклмых лерыичн.»1л. и^м^ршельиых цимбриошгжиеи (ПИП) различных фнзнчсскнх величин. Одним нз таких эффектов является оецнллисгорньш эффект, возбуждающийся в полупроводниковом образце, помещенном в продольные электрическое и магнитное ноля и проявляющийся в бозникнсвснии колебаний протекаюдтего по образцу электрического тока [I]. Причем одновременно с колесашыми тока в образце возникают колебания напряжения той же частотм Образец, в котором нрояв ляе.ся оси^игшсюрнын эффект, ь лихералуре получил на^шмиге «оедм-иш«-'1 <.4.1;« Для удобства ца.1ьнгйтгхр наложения введем поняше «осииллнстсрные колебания». под которыми будем понимать как колебания тока, так и колебания напряжения
R ОГНОКГ (КЦИЛЛИГКфЖМО .-«ффгкш ЛГЖИГ МКЛГНИГ КИННЖОЙ НГуГШИЧНКИСГГИ :<М1С*ИТрОНН(>-ДЫрС1ЧН»Й 11.ШММ
полупроводникового образна. Существуют дзг вида неустойчивости: конвективная н абсолютная. В результате развития абсолютной неустойчивости в образце спонтанно возникают колебания тока, что может быть исполь-зсжано для создания генератора электрических калеЪаний.
Для возбуждения осциляпсторпого эффекта необходимо выполнить ряд ус ловил. Во первых, напряженно nv. -ыгшричткпт и ми1 hhihoki нолей ;юлжны njithmiiiiiih нггмгшрыг критчплиг -«нччгнии "Ro-ктрых. необходимо обесиечшь наличие в объеме полупроводнлкоеого образна электронно-дырочной плазмы [2]. Электронно-дырочная плазма может быть создана инжекцней носителей заряда с помощвю соответствующих
К()Н1ИК'11!К. Khl ИОЛНГННЫХ ИЛ ip.ll-ич oilJIH-tl.H при щюнускинии II» НИМ НШГКфИЧГЧ МИ » (инжгн I HJiyKJIHPUl) П1КЙ
Также элеггронно-яырочвая плазма может создаваться ннжекцней лучем света определенной интенсивности. Электрическое поде может быть создано приложением напряжения к контактам, выполненным на торцевых гранях оспиллистора. Магнитное поле можег был. создано постоянными магнитами или другим спосооом. Весвма интересным свойством оеннллжторного эффекта, основанного на возбуждении абсолютной Hevcroä4H-
do сто полупров одшсковой плазмы, является зависимость частоты генерируемых колебаний от различных оах торов: напряженности элекчрическего и магнитного полей. параметров электронно-дырочной плазмы, размеров образца и лр.
Осцнллнсторньш эффект наблюдается как d простых полупроводниках (гермашш. кремшш). так н в полу проводниковых соединениях (антимонкд индия InSb) Экспериментальные исследования характеристик осцнл-лигторор гр.-^вгдгкньтг для оПрлчдот* *п лнтимонидл кндия покашплтт, ЧТО ПСПЮТЯГТОрЯЫЙ эффгк- R НИХ ИЗ-ЗА высокой подвижности электронов, наблюдается при меньших значениях напряжснностсй электрического и магнитного полей, чем в кремнии и германии. Но антимонкд индия характеризуется малой шириной запрещенной ЮНЫ И ШЛРДПКИГ :ГК1П), ДИЛГ при. МИЛЫХ ЧНИЧГННИХ Н2111]>ИЖГНН1КГ1"И Ч1ГИ|1ИЧГ:>01С» IKI.IM К 1Х1Ц4.|11И1'111(1Г
происходит изменение параметров полупроводниковой плазмы. Кроме того, на параметры плазмы сильно влияют различные оахторы окружающей среды. Все это обусловливает большую нестабильность характеристик осцишгастора Hi антимонкд а индия.
ТСрГМЧИЙ. f. ОТЛИЧИТ ОТ ПИТИМОРИДЛ ИНДИЯ о6пй,1йет КНИГОЙ ПОДЫГАИОГТЫО кпгитрлгя ялрядоя при тгмигрл-
гуре 500 К. что требует для возбуждения оецнллне горного эффекта достаточно больших значении напряженно ста электрического и магнитного полей. Но при этом кремний обладает сравнительно большим значением ширины ЧН11рг-|!|гнн<1Й XOHW И илримг ры игииллигшра НЧ К]Х*МНИИ ХИраКТГрИ<СуК11ГМ (ГлбиЛКЖХГКШ КО KJ)t* VCHH
Знгчення пороговых полей, при которых возбуждается оецнллнетор нз германия, значительно меньше, чем у осциллнстора нз кремния. Ширина запрещенной зоны германия больше, чем у антимоикда индия, но меньше.
МГМ у крем Н им э|0 нГ)у1ЛПК.1ИКИП 1М1.1ГГ №11 окую ПибиМЬНППЬ ХЛрНКТГрИГГНК си "Ц hi I. ihl'ioi Ы и< 1ГрМДНИХ. чгм
оспиллнстора из антнмонкдп ннлня. ко меньшую, чем из кремния.
Рассмотренные свойства оецнллпегорпого эффекта позволяют использовать его для разработках перв:гпллх измерительных преобразователей различных физических величии В работах [3 - 5] представлены результаты
ЧТГСГГрИЛГСКТЛЛЪНЫТ КГГЛСДОВЛНИИ р Ляр ЛЬотлиных ПрГГ^брЛЗГКЛТГ-ТГЙ Г ОСГ^ТТТЛИГТОрЛМИ ич кргмниж и германии,
которые позволяют оценить их некоторые харгхтсрнстккн. Но еопрос. касающийся метрологических характеристик осцнллисторных ПИП, нуждается в дополнительных исследованиях. Данная работа посвящена рассмот-ргнию мтролш ичггкнх характгрипик пгркичнмх иолгрн тглкнкх ирт(>ри:<пк;11глгнй н.-iiij»*гьин и магнтнпй индукции на основе оспнллнсторного эфоскга в гермашш.
К основным характеристикам llilli нп основе оспнллнсторного эффекта следует огасстн: статическую характеристику преобразования. чувствительность. диапазон преобразования и погрешность.
Исходя ш механизма возбуждения абсолютной винтовой неустойчивости, частота оецклтнеторных колебаний G>V(TI Ш1]1ГДГ!11У1М:И КИК ЧИП010И К]М1П.ГНИЯ КИНГОКМХ МХМуЩГНИЙ К ИрПДИЛКНОМ Mill НИ l'HOM И nnilt^lTHHCXU
электрическом полях аменполярного происхождения, так и пмонполярным сносом зинтовых зозмушенин под действием енешнего продольного электрического поля. В первом случае. еоответствуюшем\г осцилтнстору из uoGci ¿енною иолуириводнхиш, ь ¿.езором амбииолхрнахл снос urcyicхнует, час-дога на uopoiv вол&ужления за-Енснт от индукции внешнего магнитного поля и пропорциональна ей. В есииллнсторе нз несобственного полупроводника наблюдается лшьнын амоиполярпын снос возмущений. что экмталестпо азимутальном-,' граще HiUrj nojiivLurHKH. Часшха осци-и-нсшрных колебаний и лом с лучае определяемы скирисгыи аыишюллрншо сноса винтового возмущения. 13 реальном оспкллисторе существует как врашенне винтовых возмушеннй под действием магшгпюго поля, так и их снос под действием олектрического поля. Это означает, что частота ос цнллксторных колебаний определяется как частотой вращения, гак и скоростью сноса винтовых возмущений. Пренебре1 ах раз.шчными нг..ннгйнымк .эффектами в исшиишсхире hi 1ер.иаьнм. ирниишженную формулу Д1.х частоты можно представить в вплс:
где д - амбиполярная подвижность: ifc и - подвижности электронов и дырок; Д, - коэффициент амбшюляр-ной диффучии, п — моме]х-чимй ра:<мгр осциллисторл
Выражение (1) показывает, что на основе оспипнстсркого эффекта возможно построение ПИП напряжения J1H4) и магнитной индукции (ПМИ) с частотным выходным снгшшом Статические характеристики данных i.peoupaiOHti je.jen можно иредланнсь н ьнде.
прсооразовгтель напряжения (В = coast)
П. Теория
(1)
г*
)
f=fo + su.
(2)
преобразователь магнитной нндукиин (U = const)
где /о - частота на пороге возбуждения; 5 - чувствительность, определяемая параметра.\ш электронно-дырочной плазмы и размерами оеннллнетора.
Исследования показывают, что при выход? напряженности электрического поля за некоторое значение Е > С1.5...].8)£/и характеристика становится иеднненнон К частоте на пороге возбуждения добавляется поправка кс»'прич шходтп как [6]
( Е
Чж-f* f -1
V Еп
где)е - частота, обусловленная превышением поля Е нал пороговым полем Ел-Прн ДЕ < I (В = Вц) частота ПНЧ будет определяться выражением (2).
Как и в случае напряженности электрического поля, при выходе ннлукшш В за некоторое значение к частоте на пороге возбуждения добавляется поправка
л/в-/в1т-1]-/вД*
)
Значение чувствительности осциллисторного ПИП может быть получено из его статической характернсга-
Даанпзон преобразования 11111L на основе осциллисторного эффекта имеет принципиальное ограничение снизу, которое имеет чисто физический характер и обусловлено срывом генерации при невыполнении критерия возбуждения ссннллистера. Ограничение диапазона преобразовення сверху обусловлено рядом причин: 1) проявлением нелинейных эффектов, которые могут привести к возбуждению многомодальных режимов и срыву генерации 2) резким возрастанием нелинейности статической характеристики преобразователя, прн этом по ijtriiiHocih лингйнопи мпжгтд<х ги1лтн 100%
Таким образом, ограничение диапазона сверху имеет как физический характер, так и метрологический ха ракгер.
В общем случае погрешность осцнллисторных ПИП обусловлена нестабильностью частоты оецнллнетор-иых колебаний во времени, нелинейностью статической характеристики, изменением температуры окружающей среды и др.
Ш. Результаты экспериментов Как указало ранее, чувствительность оецнллнеториых ПИП зависит от многих факторов, и па практике опа пнредкнмлти »ктеримплтшкип Иилсдиюнт ра^кбиганных ПНЧ шкшли, ми» п]>и тгмпгри гурик (?.95 300) К чувствительность достигает (0.8...1.1) кГц/В. При этом нижний предел преобразования составляет десятки вольт (30...50) В. Па рис. 1а показана характеристика преобразования ПИЧ на основе оссиллистора из п-ве марки ГЭС-30.
Н.а рис. 1ь лрнЕсдена статическая характеристика 11МИ на основе оеннллнетора из п-Ос марки 1ЭС-4Х снятая прн температуре 295 К Чувствительность преобразователя в диапазоне (0.4... 1.2) Тл достигает 20 кГц/Т л.
а) преобразователь напряжения Ь) преобразователь магшгпюн индукции
Рис 1. Статическая характеристика преобразования
Г
У
I:
О. Г 0,4 1.1
Intactb-i. • Т)
vj /о Ubtígfl. L (V)
Из выражения (1) зндно. что чувствительность осциллнсгорных ПИП повышается прн уменьшении поперечного размера осциллнстора а н прн увеличении амбиполярной подвижности носителей зарядов элсктроино-
ДМ]К1ЧННИ 1111ИЧММ ПоНИЖГНИГ 1ГМ11Г|К!'туры (М'ЦИЛЛИСШрИ ГЛКЖГ ИрИНО.<|И1 К 11()КЬ1111ГНИК> ЧуНГГКИГГЛЬЖКТИ
осциллнсторпых ПИП. Например, при лопнжешш температуры оешьтлнетора до температуры 77 К чувства тгттъноетт» иг елгдояя нктлх оЬрлчпож 11114 гоинпипл-ь ГО 40 кГп/П, л при тсмпгрлтурс 4 5 ТС — до 170 гТцП Чувствительность ПМИ прн Т = 77 ЕС возрастает до (1...1.2) МГц/Тл. а прн 7 = 4.2 К достигает 5 МГц'Тл
Нижний предел преобразования Сд = Ог ос ннллж торного и 14 определяется индукцией в рабочем зазоре магнитной системы преобразователя, и для разработанных ПНЧ с индукцией (0.35...0.4) Тл. составляет значение (35...50) Б. Увеличение поперечного размера осциллнстора приводит х понижению порогозой напряжсэ-ности электрического г., следовательно, и к понижению нижнего предела преобразования ПНЧ Но увеличение поперечного размера приводит к существенному уменьшению чуЕствкгельнсстн осциллисторного НИН.
Понижение нижнего предела диапазона преобразования ПНЧ дсстигается также и понижением его температуры. Экспериментальные не следования, проведенные при Т - 4.2 К н Т - 77 К показали, что значение (7И> мо
ЖГГГ (»Ы 1Ь умгнкшгно Д1» (Я В
Таким образом, получено, что нижний предел диапазона преобразования ПНЧ на основе ссцнллисгорного эффекта при комнатных температурах равен (35...50) Б. а при криогенных температурах ( Т < 80 К ) понижается и составляет (3...5) В
Ограничение диапазоне преобразования 11Н'1 сверху обусловлено следующими причинами: 1) прн большем превышении входным напряжением V порогового значения резко возрастает нелинейность статической характеристики преобразования НН'1: 2) разогревом осциллнстора протекающим по нему током, что приводит к большой температурной погрешности.
Анализ экспериментальных характеристик преобразования показывает, что в диапазоне от и» до значения (15 18) Па хирнк1с*рипика »¡-циллм шржмо ПНЧ йлични к лиигйилй Тлким с »При «ом дли лингйной функции преобразования можно считать, что днаиазон преобразования ПНЧ лежит в пределах от (30.. .35) В до (80 . 90) В прн комнатных температурах и от 3 до (10 .. 12) Б при криогенных температурах.
Значение нижнего предела диапазона преобразования ГОЖ обусловлено пороговым значением индукции Вя - &п ддя заданного напряжения, приложенного к оецнллнетору. Экспериментальные нсследоваиия показали, чго нижний предел диапазона преобразования ПМИ при комнатных температурах и напряжениях, не вызывающих разегрев осцнллнсюро. может быть получен (0.3...0.35) Тл. При понижении температуры нижняя грлн-г-ЦИ ДИИ1М«>НИ ||]М-»11(»И{1ЖИНИЯ как и н глучиг ПНЧ гмпниггги к порой у мгнкших чничений Ниприигр, при
температуре У/ К он составляет (11.08.. .0.1) 1л. а прн температуре 4.2 К уменьшается до значения 0.03 1л.
ДигШЖСОН П21Г011(>ИЧ0НИНИ1 гкгрху прнничгн КМ л ЯДОМ НГИИНГЙНМХ «([к|гн . ПК Н чишпу «Х ЦНЛЛНГ ГОрНЫК к«лг-
башш. приводящим к нелинейности статической характеристики ПМИ. Диализ экспериме1гтальиых результа тон ТТПКЛЛЛ.- что в дилпллпнг индугтши ОТ Пр до (1 Я 2 0) 71ц гтлтичггжл» характеристика ПМИ ил огнеже ог-цнллнегорного эффекта близка к линейной
Повышение верхнего предела диапазона преобразования может достигнуто уменьшением напряженности электрического поля в осциллнсторе. Следует отметить, что в этом случае повышается не только верхний предел. но и нижний предел диапазона преобразования и происходит смешение линейного участка статической хирак ггржгини « чону (кШМНИХ чничгний индукиии
Следует отметить, что повышение напряжения выше значения \.%ин для ПНЧ и индукции выше значения 25;/ для ПМИ приводит к возрастанию нелинейности характеристики преобразования. В этом случае диапазон преобразования будет определяться требуемой погрешностью лииейпостн.
Выше (п ирчгнп, чи» <1,1Н()й ич со1*171Кл>к1 ш.их шмргшнкитж огииллипорнмх ПИП тигаги-м нргмгниии нптл-бнлькость частоты осцнллисторных колебаний, которая в большой степени зависит от состояния поверхности осциллнстора и теплового режима его работы. Результаты экспериментальных исследований разработанных ПИП, проведенных в различных условиях, показали, что прн комнатных температурах относительная нестабильность частоты достигала (0.1. ..0.3) %. а прн помешеннн преобразователя в жидкий азог она уменьшалась з несколько раз и составляла 0.05 % и менее. При этом существенно уменьшается временной дрейф частоты, обусловленный в основном изменением состояния поверхности и. соответсгоешю. скорости поверхностной рГ*М1М1И4Н/111ИИ В ргчулкппг НСГЛГДОНИНИЙ. »¡ЮКГДГННМХ При 1ГЯи1МГ|М1у|1Г (293 300) К 1К1ЛуЧГНО Ч1Х1 нремен-ной дрейф частоты достигал (3...5) % за месяц. Экспериментальные исследования оспнллноториых ПИП, про-
КГДГННЫР К ЖИДКОМ НЧ01Г 1НЖИ.Ш1И, ЧТО.ЦргЙф ЧИГГ01Ы ¡'ОЛИКННЛ 0 07. % к иппц И игнмпг Т.1КИУ обричом ДЛИ
уменьшения погрепшости, обусловленной нестабильностью частоты генерации оспиллиетора. необходимо ста бнлнзировать состояние поверхности ссниллисгсра.
В разработанных ПИП. с целью защиты поверхности осцшшнстора. в корп>с преобразователя заливалось силиконовое масло илн на поверхность наносилась тонкая пленка диоксида кремния SiO^ при этом снижался не только временной дрейф частоты, но н уменьшалась относительная нестабильность выходной частоты
Из представленных результатов экспериментальных исследований видно, что значение выходной частоты осцнллисюрного ПИП сильно зависит от температуры окружающей среды Например, в области комнатных температур чувствительность ПИП достигает (300...500) Гц,1С1С и возрастает при понижении температуры. Отсюда погрешность, вызванная изменением температуры осцнллистора, может достигать единиц процентов. Подобное значение температурной погрешности обусловливает необходимость использовать осцнллисторные ПИП при постоянной температуре окружающей среды, например, в криогенной жидкости, градуируя их для каждой рабочей температуры, либо осуществлять термостатирование преобразователя.
Следует отметить, что температурная погрешность может быть уменьшена включением последовательно с осцнллистором термочувствительного элемента, например, терморезистора
VI. Заключение
Анализ результатов экспериментальных исследований характеристик преобразователей напряжения и магнитной индукции на основе оецнллнеторного эффекта показывает, что их статическая характеристика преобразования линейна в диапазоне от Un до 1_8 Un и от Вп до 2ВП. который смещается в сторону меньших значений при понижении температуры. Понижение температуры приводит также к повышению чувствительности. Рассмотренные ПИП могут работать в широком интервале температур, но наиболее целесообразно использовать их при низких температурах, например, в криогенных средах.
список литературы
1. Ivanov I. LJjtyvkiu S. М. Occurrence of Current Oscillations in Specimens of Ge Placed ш ail Eleciric Field and a Longitudinal Magnetic Field H Zh. Tefchn Fiz. 1958. Vol. 28, P 774.[Engl, transl. Sov. Phys. Tech 1958. Phys. 3,
722].
2. Hunvitz С. E., Whorter A. L. Mc.Grawing helical density wares in semiconductor plazmas ''Physical Review. 1964. Vol 134A.P. 1033-1050.
3. Gaman V. I., Drobot P.N. Oscillistor Sensors with a Frequency Output based on a Silicon Structures H Proceedings 4th International conference on actual problems of electronic instrument engineering APEIE-98. Novosibirsk. 1998. Vol 1. Selected papers. P. 133-135.
4. Cheredov A.I.. Shchelkanov AV.Frequency converters based on oscillistor V Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). 2014. 12th International Conference DOI: 10.1109 APEIE. 2014. 7040846
5. Cheredov A. I., Shchelkanov A.V.Displacement sensors with frequency output based on helical instability (2015) 2014 П Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. Dynamics 2014.Proceedings. DOI: 10.1109 Dynamics 2014 7005645.
6. Karavaev G. F., Chuprikov N. L. Generalization of the nonlinear theory of surface-helical instability7 of semiconductor plasma in cylindrical specimens.Physics of Semiconductors and Dielectrics И Soviet Physics Journal. April 1985. Vol. 28, no 4 P 257-262.
