2020-04-12
116
Датчики Холла (ДХ) являются самыми распространенными преобразователями магнитного поля в электрический сигнал, применяемыми в различных областях науки и техники. Принцип их действия основан на эффекте Холла, т.е. на возникновении поперечной разности потенциалов в проводнике, по которому протекает электрический ток, при одновременном воздействии поперечного по отношению к направлению тока магнитного поля. Для изготовления ДХ широко используются полупроводниковые материалы типа Si, GaAs, InSb.
При всем разнообразии конструкций ДХ и технологий их изготовления все современные ДХ представляют собой пассивный регистратор внешнего воздействия, не обладающий свойствами внутреннего усиления полезного сигнала. В данной статье рассматривается новый тип преобразователя магнитного поля - полевой ДХ на основе структуры «кремний - на - изоляторе» (КНИ ПДХ), обеспечивающий не только регистрацию магнитного сигнала, но и возможности управления величиной сигнала и измерения в режимах цифровой и аналоговой модуляции. Принципиальная возможность создания таких датчиков обсуждалась ранее.
|
|
|
Как известно, к основным параметрам ДХ относятся:
· пороговая магнитная чувствительность;
· динамический диапазон магнитной чувствительности;
· энергопотребление;
· удельная магнитная чувствительность;
· диапазон рабочих температур;
· остаточное напряжение – напряжение на холловских контактах при протекании тока через ДХ при нулевом магнитном поле.
Из общих физических соображений следует, что переход от кремния к КНИ-структуре позволяет улучшить каждый из этих параметров.
Пороговая магнитная чувствительность ДХ обратно пропорциональна толщине тела магниточувствительного элемента. Кремниевые ДХ обычно формируются по эпитаксиальной технологии, и толщина тела магниточувствительного элемента составляет несколько микрометров. Характерная же толщина рабочего слоя кремния КНИ ПДХ составляет 0,2 мкм. Отсюда следует, что пороговая чувствительность КНИ ПДХ в десятки раз превосходит таковую для кремниевых ДХ.
Рабочий ток ДХ при постоянном напряжении питания определяется омическим сопротивлением тела магниточувствительного элемента. Из - за разницы толщин рабочих областей (~ 0,2 для КНИ ПДХ и ~ 5 мкм для кремниевого аналога) сопротивление КНИ ПДХ гораздо больше, чем для кремниевых ДХ. Поэтому при равных напряжениях питания рабочий ток КНИ ПДХ гораздо ниже, чем у кремниевого ДХ. Такое уменьшение тока помимо выигрыша в энергопотреблении обусловливает также уменьшение токового шума ПДХ и увеличение отношения сигнал/шум.
Увеличение пороговой чувствительности КНИ ПДХ приводит к расширению динамического диапазона по сравнению с традиционными кремниевыми ДХ.
|
|
|
Высокая пороговая магнитная чувствительность и малый потребляемый ток определяют гораздо более высокую удельную магнитную чувствительность – крутизну функции преобразования КНИ ПДХ, которая по определению представляет собой отношение величины ЭДС Холла к значениям магнитной индукции и тока через ДХ.
Верхний предел рабочей температуры кремниевых ДХ определяется токами утечки эпитаксиального p–n - перехода, отделяющего тело магниточувствительного элемента от подложки. С увеличением температуры ток утечки быстро возрастает и рабочая температура кремниевых ДХ не превышает 120°С. В КНИ ПДХ тело чувствительного элемента отделено от подложки скрытым диэлектриком, уменьшающим токи утечки в подложку на несколько порядков. В этом заключается причина значительного увеличения рабочей температуры КНИ ПДХ по сравнению с традиционными кремниевыми ДХ (до 300°С).
Величина остаточного напряжения ПДХ, как будет показано ниже, может быть значительно уменьшена благодаря выбору соответствующего потенциала на управляющих затворах.
Помимо отмеченных достоинств КНИ ПДХ способен функционировать в условиях экстремальных радиационных полей. Известно, что ионизирующая радиация генерирует в теле магниточувствительного элемента избыточные носители заряда (электроны и дырки). Число радиационно-индуцированных носителей в рабочем слое кремния КНИ полевого ДХ будет, как минимум, во столько же раз меньше, во сколько различаются толщины рабочих областей ДХ и ПДХ. В этом и заключается физическая причина увеличения радиационной стойкости КНИ ПДХ по сравнению с кремниевыми аналогами при импульсных радиационных воздействиях. Ниже будет показано, что КНИ ПДХ обладает также повышенной устойчивостью к стационарному ионизирующему облучению.
