Магниторезистивиме преобразователи. 
Информационно-измерительная техника и электроника. 
Преобразователи неэлектрических величин

Магниторезистивный эффект

Изменение под действием магнитного поля сопротивления полупроводника, по которому протекает электрический ток, называется магниторезистивным эффектом [2]. Увеличение электрического сопротивления под действием магнитного поля происходит как в случае перпендикулярности вектора магнитной индукции поверхности полупроводниковой пластины (поперечный эффект магнитосопротивления), так и в случае их параллельности (продольный эффект магнитосопротивления). Однако изменение сопротивления во втором случае незначительно.

Изменение сопротивления полупроводника в магнитном поле пропорционально квадрату подвижности носителей тока.

где с — коэффициент пропорциональности, связанный с рассеянием носителей заряда.

Как отмечалось в предыдущем параграфе, в полупроводниковой пластине, помещенной в магнитное поле, на движущиеся носители зарядов действует сила Лоренца, уравновешивающаяся холловским электрическим полем. Однако холловское поле уравновешивает только те носители, которые движутся со средними скоростями. На более медленные носители сильнее действует поле Холла, на более быстрые — сила Лоренца, траектории тех и других искривляются и эффективная длина свободного пробега уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления. Очевидно, что чем меньше эффект Холла в полупроводнике, тем больше его магнитосопротивление. В полупроводнике с двумя типами носителей поле Холла меньше, поэтому линии тока в нем не параллельны граням, и эффект магнитосопротивления соответственно больше.

Исключить влияние эффекта Холла можно и в полупроводнике с преобладанием одного типа носителей, используя специальную геометрию образца. Наиболее наглядным примером влияния конструкции на эффект магнитосопротивления является диск Корбино, представляющий собой полупроводниковую пластину с концентрическим расположением контактов: один в центре, а второй по окружности на равных расстояниях от первого. Если к электродам такого диска приложить напряжение, то траектории электронов будут иметь вид радиальных лучей, расходящихся от центра. При помещении в магнитное поле, перпендикулярное плоскости пластины, носители отклоняются вдоль поверхности, линии тока удлиняются, но накопления зарядов не происходит, и ноле Холла не возникает. В такой структуре наблюдается максимальный эффект магнитосопротивления, однако ввиду технических трудностей практическое применение диска Корбино сильно затруднено.

Увеличение эффекта магнитосопротивления за счет геометрии резистора может быть достигнуто также и в полупроводниковой пластине, длина которой L значительно меньше ее ширины W. При воздействии на такую пластину магнитного поля, направление которого перпендикулярно плоскости пластины, поле Холла оказывается ослабленным за счет шунтирующего действия токовых электродов. Геометрически эффект магнитосопротивления в этом случае проявляется тем сильнее, чем меньше отношение LAV. Еще более увеличить эффект можно путем последовательного соединения резисторов с малым отношением L/W. Один из возможных способов реализации указанного принципа описан в [11].

Основой материала магниторезистора служит антимонид индия, обладающий высокой подвижностью носителей, к которому добавляется 1.8% NiSb. После сплавления и последующего остывания антимонид никеля кристаллизуется в антимониде индия в виде игл толщиной в 1 мкм и длиной примерно 50 мкм, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно направлению тока. Удельная проводимость игл из NiSb около К^Ом ' см*¹, a InSb на два порядка меньше.

Таким образом, иглы играют роль хорошо проводящих электродов, разделяющих основную массу полупроводника на отдельные зоны с малым отношением L/W. Это приводит к резкому подавлению поля Холла, а, следовательно, к искривлению траектории электронов под действием магнитного поля, т. е. к возрастанию эффекта магнитосопротивления.

Другой способ реализации указанного принципа на основе микроэлектронной технологии описан в [16]. Его суть заключается в формировании магниторезисторов на основе кремниевых эпитаксиальных пленок, содержащих низкоомные шунтирующие участки поликристаллического кремния (ПК), расположенные перпендикулярно направлению тока.

Технология изготовления таких магниторезисторов основана на одновременном выращивании монои поликристаллических пленок кремния [16]. С помощью процессов окисления и фотолитографии формируются локальные области Si0₂, на которых в процессе выращивания эпитаксиальной пленки растут пленки ПК.

Для закорачивания ЭДС Холла проводится легирование полученных областей ПК атомами фосфора до концентрации 10²¹ см'³, причем, учитывая более высокую скорость диффузии атомов легирующей примеси в ПК по сравнению с монокристаллическим кремнием, легирование проводится одновременно с процессом создания в монокристаллической пленке п⁺-областей под омические контакты [16].