Гальваномагнитные приборы являются элементной ба.зой нового направления электроники - магнитоэлек-гропики. Это приборы, действие которых основано на исгюльзованни эффектов, возникающих при одновременном воздействии на полупроводник электрического и .магнитного полей [1-3]. До недавнего времени един-сгие1И1Ыми представителями этого класса приборов пыли датчики ЭДС Холла и магниторезнсторы, принцип действия которых предложен еще в прошлом веке.

В последние годы класс гальваномагнитных приборов значительно расширился. Появились разработанные li Физико-техническом институте им. А. Ф. Р1оффе .\Н ((ХР, .Московском институте электронной техники, ();ееско.\1 \ нниерситсте нм. И. И. Мечникова и инстн-i\ie [io;i\проводников .ЛН Лит. ССР магиитодпод!:!, июнереходпые н биполярные магннтотранзпсторы, л1 :ti HHTornpiicTopi)!, 111[[боры на основе гальваномагпи-юрекомбпнанноннсяо эффекта [4-7, ()2]. И.х применение Н03В0.1НТ П0-Н01ЮМУ реншть создание ряда технических ycTipoiieгн: бесконтактных переключателей и бес-

1.чекг()рн1)1Х ,э.1ектродвигателей, электронных комиа-сои, СЧ1П binaioHuix .MarmiTHijix головок и т. д, .Магнпто-ии)Д1.1 и .магннклpanjHCTopiii уже серийно в[лнускаются Huuieii и[)омын1.1снностью, другие приборы находятся в -{акл10чител[)Ной стадии разработки.

В предлагаемой внн.манию читателей книге обобщены результаты исследований всех гальваномагнитных приборов, получиБН[их практическое применение. Изложены физические принципы работы, конструкции и нх э.И'Ктрическне параметры, основные направления применения.

Авторы благодарны академику АН Лит. ССР Ю. К. Пожеле и проф. В. И. Мурыгину за полезные замечания, высказанные при рецензировании рукописи.

Отзывы и замечания следует направлять в адрес издательства Радио и связь : Москва, 101000, Главпочтамт, а/я 693.

1. Влияние магнитного поля на движение носителей заряда в полупроводнике

1.1. ЭФФЕКТ ХОЛЛА

На заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью V, действует сила Лоренца

Р = Я\УЩ, (1.1)

где В -индукция магнитного ноля. Если vj В, то F = = qvB. Рассмот1рим пластинку полупроводника р-типа, через которую протекает ток, направленный перпендикулярно внешнему мапштному полю (рис. 1.1). Сила

Рис. 1.1. Возникновение ЭДС Xo.irj (а) и угол Xo.i.ia в ограниченном (б) н неограниченном \ь) полупроводннка.ч р-типа

Лоренца отклоняет дырки к верхней грани полупроводника, вследствие чего их концентрация там увеличивается, а у нижней грани уменьшается. В результате пространственного разделения зарядов возникает элект1рическое поле, направленное от верхней грани полупроводника к нижней. Это ноле препятствует разде-

лению зарядов, и, как только создаваемая им сила станет равной силе Лоренца qEj -qvB, дал1*ейшее разделение зарядов прекратится. При таком равновесии ноток дырок движется через пластину не отклоняясь. Разность потенциалов между верхней и нижней гранями образца

Vx = E)ia=vBa, (1.2)

где а - ширина образца в направлении х.

Явление возникновения поперечной ЭДС в полупроводнике, помещенном в магнитное поле, и называется эффектом Холла, а Vx-соответственно напряжением Холла. Подставив в (1.2) значение скорости, найденное из формулы для тока, протекающего через пластину I = jS = qpvad {d - толщина пластины в направлении у), получи.м

Vx = IBIqpd = IBRx!d. (1.3)

Величина

Rxljqp (1.4)

называется коэффициентом Холла. Формула (1.3) спра-вед.шва для бесконечно длинного полупроводника в направлении z, однако ей можно пользоваться, если длина датчика бол1>Ц1е 2...3J.

В электронном полупроводнике при том же направлении / и В (рис. 1.1) сила Лоренца отклоняет электроны в том же направлении, что и дырки, т. е. к верхней грани. Это обусловлено тем, что, хотя скорость элсктр(ми)в и противоположна скорости дырок, совпадающей с направлением тока, знак заряда электрона также противоположен знаку заряда дырки. Коэффициент .Холла для tt-полупроводиика

/?х (1-5)

а полярность напряжения Холла противопо.тожна полярности напряжения Холла для дырочного полупроводника.

При выводе формул (1.4), (1.5) неучтен тот факт, что вследствие рассеяния носителей заряда в полупроводнике их скорости неодинаковы. Учет распределения носителей но скоростям приводит к умножению правых частей (1.4), (1.5) на коэффициент А, значение которого в зависимости от механизма рассеяния равно 1...2.

в полупроводнике с проводимостью, обусловленной; носителями боих знаков, электроны и дырки отклоня-: ются в одну сторону, в этом случае Rx меньше, чем для полупроводника с носителями одного знака, и определяется по формуле

Rx=A{lp-liln)lg(ixp 4- ix n)2. (1.6)

Выше рассмотрен ограниченный в направлении х полупроводник. Ток в этом случае направлен по оси г, а суммарная напряженность электрического поля - иод углом ф к ней (рис. 1.1,6). Этот угол называется углом Холла и находится из соотношения

tgcpfx/f-iv, (1.7)

где Ех определено из (1.2); E = jla = qvplqKp (для р-полупроводинка).

В неограниченном в направлении х полупроводнике не происходит накопления носителей заряда, и, следо вательно, ЭДС Холла не возникает. В этом с.1 \чае поток lИJCПтeлeй наирав.чен иод углом ф относнте.п.но напряженности э.1ектрическо1о но.чя, совпадаюи[ей е осью z (рис. 1.1,8).

1,2, ЭФФЕКТ СУЛЯ

1:сли в полупроводннке сунхеетиует направленное .чвижение иес^еновных носителей заряда, то в нопсреч-пом магнитном поле под действием си.ии Лоренца они (л к.юияются к одной нз сте.иок ио.тупроводннка. В этом ii заключается эффект Суля.

Рассмотрим, например, днод с длинной базой {lf,y>Lp, рнс. 1.2). При включении его в прямом на-

+ о

е

Pile. 1,2. Влияние магнитного поля на 5 авижение неосновных носителей заряда в д диоде с длинной базой

правлении из р+-областн в tt-базу входят дырки. Для сохранения электронейтральности базы из +-области в базу входит равное количество электронов. Под действием диффузии и дрейфа электронно-дырочные пары движутся от р+- к +-областн. Поскольку поток элек тронов, движущихся вместе с дырками, равен встречно

му потоку электронов, выходящих из п+-области для компенсации заряда дырок, результирующий ток электронов через базу равен нулю. Следовательно, равно нулю и поле Холла, а действие поперечного магнитного поля заключается в отклонении потока дырок к верхней прани образца. Так как в каждой точке базы сохраняется электронейтральность, то накопление дырок у верхней грани ие приводит к образованию электрического заряда и электрического поля, препятствующего тальнейшему накоплению дырок. Количество накопленных у верхней грани дырок ограничивается их рекомбинацией на поверхности, а также диффузией от верхней грани к нижней.

Прн отсутствии накопления дырок у верхней грани (ишрокнй образец или образец с большой скоростью поперхностиой рекомбинации) \гол О между направлением потока дырок и напряженностью электрического [ЮЛЯ также равен у[лу Холла, а

1к6 = а^,Д. (1.8)

Нсли иараллел1Д1() р' -контакту в длинном дно.те вк.почить -контакт (рнс. 1.3), то в таком диоде бу.1ет

Рис. 1.3. Влияние ЭДС Холла и а дви- + жеиие неосновных носителей заряда

протекать и электронный ток между +-контактамн. Этот ток основных носителей в поперечном магнитном Поле создает ЭДС Холла. Как видно из рисунка, электрическое поле -Холла отклоняет дырки в ту же сторону, что и сила Лоренца. Вследствие этого угол отклонения дырок i; = 9-f ф, при малых углах tgip - ) и

0 = 6-Ьср = ,х^5л 5. (1.9)

1.3. МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫИ ЭФФЕКТ

При отсутствии магнитного поля дырка движется в р-полупроводнике в направлении электрического поля за время свободного цробе^г между столкновениями проходит путь, равный длине свободного пробега /. В поперечном магнитном поле в неограниченном в на-