Первые предложения по техническому использованию эффекта Холла были высказаны на рубеже XIX и XX вв. [Л. 93, 94, 375]. Реальная база для этого возникла, однако, значительно позднее, а именно со времени разработки технологии получения полупроводниковых материалов, характеризующихся значительными подвиж-. ностями носителей тока. К этим материалам относятся: германий Ge, кремний Si, антимонид и арсенид индия InSb и InAs, арсенид - фосфид индия InAsP, арсенид галлия GaAs, селенид и теллурид ртути HgSe и HgTe. За последние годы в технологических лабораториях разработано несколько новых материалов, например, кадмий-ртуть-теллур CdHgTe, арсенид кадмия Сс1зА82, которые также могут быть пригодны для технических применений эффекта Холла.

Одновременно с развитием технологии полупроводниковых материалов, в которых эффект Холла проявляется в сильной степени, отмечается прогресс и в области полупроводниковых приборов, работа которых основана на этом эффекте. Для электронного элемента, в основе работы которого лежит эффект Холла и который представляет собой полупроводниковую пластину с выводами и защитной оболочкой, в русской литературе принято наз-

вание датчик Холла. В иностранной литературе для определения этого термина употребляются соответственно следующие названия: немецкое - der Hallgenerator, английское -Hall generator или Hall unit, польское - hallotron (холлотрон).

Явление магнитосопротивления (называемое эффектом Гаусса), заключающееся в изменении сопротивления проводящего ток материала под действием магнитного поля, как и эффект Холла, было известно очень давно. Изучал его Томсон еще в 1858 г. Результаты, получаемые при измерении эффекта магнитосопротивления, также дают возможность судить о физической структуре полупроводниковых материалов. Эффект магнитосопротивления раньше, чем эффект Холла, стал использоваться в технических целях. Уже в 1887 г. Ледюк предложил использовать эффект магнитосопротивления, возникающий в висмутовой проволочке, для измерения нaпjpяжeн-ности магнитного поля. Однако интенсивное развитие технического применения эффекта Гаусса началось только в последние несколько лет. Это также явилось результатом разработки технологии получения полупроводниковых материалов с большой подвижностью носителей тока, где эффект Гаусса проявляется особенно сильно. Вполне возможно, что в недалеком будущем этот эффект сможет серьезно соперничать с использованием эффекта Холла.

Для элемента, основанного на использовании эффекта магнитосопротивления (эффекта Гаусса), принято русское название магниторезистор (иногда - датчик магнитосопротивления). В иностранной литературе русскому термину магниторезистор соответствуют: немецкий - die Feldplatte или der Felddiskus, английский - magne-toresistor или field plate, польский - гауссотрон.

Данная книга ставит перед собой цель ознакомить читателя с датчиком Холла и магниторезистором - новыми приборами полупроводниковой электроники - и одновременно показать возможности их применения в технике.

Из поставленных таким образом задач и вытекает построение книги.

В первой ее части содержатся сведения, касающиеся физических явлений. Происходящих в пластинах датчика Холла и магниторезистора, и обзор свойств полупроводниковых материалов, которые могут использоваться 12

для конструирования датчиков Холла и магйиторезИ-сторов. Рассматриваются также физические процессы, происходящие в этих приборах, в основном с точки зрения влияния их на технические параметры датчика Холла и магниторезистора. Основы проектирования датчиков Чолла и магниторезисторов изложены таким образом, fTO одновременно поясняют читателю сущность многих физических явлений, влияющих на реальные характеристики этих приборов. В гл. 11 описываются магнитопро-воды для датчиков Холла и магниторезисторов и их совместная работа.

Вторая часть книги посвящена обзору применения обоих эффектов, причем сам объем отдельных разделов уже показывает, насколько велик прогресс во внедрении соответствующих лабораторных разработок в промышленность. Именно этим объясняется большой объем разделов, описывающих измерение напряженности магнитного поля и электрической мощности. Многие возможности применения описаны бегло, так как представляют собой результаты лабораторных исследований, которые не получили еще подтверждения в широком масштабе.

Несомненно, что в данной книге перечислены не все возможные применения, так как одна только автоматика уже создает множество возможностей для использования эффектов Холла и Гаусса. Можно предположить, что датчики Холла и магниторезисторы в недалеком будущем станут элементами, неразрывно связанными с большинством систем автоматики.

Глава вторая

ТЕОРИЯ ЯВЛЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В ХОЛЛОВСКИХ ПЛАСТИНАХ

Для облегчения усвоения сведений, излагаемых в этой книге, дадим сначала определение некоторым важнейшим понятиям, связанным с явлениями инжекции и рекомбинации носителей тока в полупроводниках. Более глубокое разъяснение этих понятий выходит за рамки этой работы.

Носители тока - частицы, обладающие способностью переноса электрического заряда в полупроводниках. Носителями тока являются электроны и дырки.

Основные носители - носители тока, преобладающие количественно при наличии обоих типов носителей (дырок и электронов). В полупроводнике п-типа это свободные электроны, а в полупроводнике /j-типа - дырки.

Неосновные носители - подвижные носители тока, находящиеся-при наличии обоих типов носителей - в меньшинстве. В полупроводнике п-типа это дырки, а в полупроводнике /j-типа - электроны.

Инжекция носителей тока - введение свободных носителей тока, избыточных по сравнению с концентрацией, соответствующей установившемуся тепловому равновесию. Различают два вида инжекции носителей: фотонную (световую) и токовую. Фотонная инжекция заключается в генерации носителей тока в результате поглощения фотонов. Токовая инжекция вызывается внешним электрическим полем, приложенным к полупроводнику, и заключается в проникновении носителей тока через /?-/г-переход в область с градиентом удельного сопротивления или в область объемного заряда у контакта с металлом. Инжектированные носители нарушают тепловое равновесие в полупроводнике. Носители тока, инжектированные в некоторую область полупроводника, перемещаются в другие области, а также рекомбинируют. Перемещение происходит в результате диффузии или йод влиянием электрического поля. Характеристическими параметрами инжектированных носителей тока являются время жизни и длина диффузии.

Инжектированные носители - носители тока, концентрация которых больше, нежели концентрация носителей в условиях теплового равновесия.

Рекомбинация носителей тока - связывание носителей противоположных знаков (электронов с дырками), в результате чего свободные носители тока исчезают. Различают три вида рекомбинации: прямую, рекомбинацию через ловушки и поверхностную.

Прямая рекомбинация заключается в исчезновений пары электрон - дырка в результате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону. Освобождающаяся при этом энергия излучается или рассеивается в виде тепла в кристаллической решетке. Рекомбинация через ловушки представляет собой переход электрона из зоны проводимости в валентную зону через уровень ловушки. Наличие примесных уровней значительно повышает вероятность рекомбинации. Поверхностная реком-14

бинация связана с диффузией носителей тока к поверхности, где они рекомбинируют. Этот вид рекомбинации зависит от характера механической и химической обработки поверхности полупроводника.

Ловушка - центр захвата свободных носителей тока, повышающий одновременно вероятность рекомбинации. Роль ловушек играют различные нарушения кристаллической решетки: примеси, дислокации и другие дефекты решетки. Одной из характерных особенностей ловушек является существование связанных с ними энергетических уровней вблизи середины запрещенной зоны полупроводника.

Длина диффузии инжектированных носителей тока Lo - расстояние от места инжекции, на котором концентрация введенных носителей убывает в е раз. Величина Lo связана с временем жизни т и коэффициентом диффузии D инжектированных носителей тока следующим образом:

Время жизни носителей тока - время, по истечении которого концентрация носителей убывает в е раз.

2-1. ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Многие основные свойства полупроводников можно объяснить с помощью понятия об энергетических зонах. Из теории энергетических зон (так называемой зонной теории) следует7 что электроны в кристаллической решетке могут иметь не произвольную энергию, а только вполне определенные (разрешенные) ее значения.

Разрешенные значения энергии электронов в кристалле образуют отдельные квазинепрерывные области - энергетические зоны, состоящие из большого числа близко расположенных уровней. Строение энергетических зон тесно связано со структурой кристаллической решетки (более подробные данные, касающиеся принципов образования энергетических зон в кристаллической решетке, читатели могут найти в других книгах, посвященных зонной теории).

Картина энергетических зон в собственном полупроводнике показана на рис. 2-1. Зона проводимости и валентная зона (называемая также основной зоной) состоят из очень большого числа непрерывно расположенных уровней, на которых могут находиться электроны. Элек-