RU201692U1

RU201692U1 - MAGNETOELECTRIC RESISTOR

Info

Publication number: RU201692U1
Application number: RU2020120199U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Иванов; Мирза Имамович Бичурин; Геннадий Алексеевич Семенов
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2020-12-28

Abstract

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована при разработке магниточувствительных приборов, таких как датчики магнитного поля, электрического тока, электромагнитного поля, преобразователи, источники возобновляемой энергии и другие устройства. Магнитоэлектрический резистор представляет собой резистор, выполненный из магниторезистивного полупроводникового материала и двух омических контактов, в качестве магниторезистивного полупроводникового материала которого применена композиционная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура. Предложенный магнитоэлектрический резистор обладает высокой чувствительностью к магнитному полю и может быть использован в устройствах автомобильной электроники, автоматики, систем безопасности, биомедицинского оборудования, навигации, зондирования Земли и др.The utility model relates to the field of radio electronics and can be used in the development of magnetically sensitive devices such as magnetic field, electric current, electromagnetic field sensors, converters, renewable energy sources and other devices. The magnetoelectric resistor is a resistor made of a magnetoresistive semiconductor material and two ohmic contacts, as a magnetoresistive semiconductor material of which a composite magnetostrictive-piezosemiconductor structure is used. The proposed magnetoelectric resistor has a high sensitivity to the magnetic field and can be used in automotive electronics, automation, security systems, biomedical equipment, navigation, Earth sensing, etc.

Description

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована при разработке магниточувствительных приборов, таких как датчики магнитного поля, электрического тока, электромагнитного поля, преобразователи, источники возобновляемой энергии и др.The utility model relates to the field of radio electronics and can be used in the development of magnetically sensitive devices, such as magnetic field, electric current, electromagnetic field sensors, converters, renewable energy sources, etc.

Основное применение магниточувствительных приборов заключается в создании на их основе различных устройств автомобильной электроники, автоматики, систем безопасности, биомедицинского оборудования, навигации, зондирования Земли и др.The main application of magnetically sensitive devices is to create on their basis various devices for automotive electronics, automation, security systems, biomedical equipment, navigation, Earth sensing, etc.

Известен магнитоэлектрический (МЭ) эффект в двухфазных композитных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонент, и заключающийся в намагничивании материала при воздействии на него внешнего электрического поля и появлении электрической поляризации при воздействии внешнего магнитного поля [Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Srinivasan G., Nan C.W. Магнитоэлектрические материалы - М.: Академия Естествознания, 2006. - 296 с.]. Возможность взаимного преобразования магнитных и электрических полей делает такие композитные материалы перспективными для построения различных устройств функциональной электроники на их основе. Параметры таких устройств зависят от величины МЭ эффекта в композиционном материале.Known magnetoelectric (ME) effect in two-phase composite materials, consisting of magnetostrictive and piezoelectric components, and consists in magnetizing the material when exposed to an external electric field and the appearance of electric polarization when exposed to an external magnetic field [Bichurin MI, Petrov V.M. ., Filippov D.A., Srinivasan G., Nan CW Magnetoelectric materials - Moscow: Academy of Natural Sciences, 2006. - 296 p.]. The possibility of mutual transformation of magnetic and electric fields makes such composite materials promising for the construction of various functional electronics devices based on them. The parameters of such devices depend on the magnitude of the ME effect in the composite material.

Известен гигантский МЭ эффект в области электромеханического резонанса (ЭМР) в двухфазных композитных материалах, состоящих из арсенида галлия и никеля, кобальта [Лалетин В.М., Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Поддубная Н.Н. Магнитоэлектрический эффект в структурах на основе металлизированных подложек арсенида галлия // Письма в ЖТФ. - 2014. – Т. 40. – Вып. 21. – С. 71–77] и метгласа [M.I. Bichurin, V.M. Petrov, V.S. Leontiev, S.N. Ivanov, O.V. Sokolov Magnetoelectric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide. JMMM 424, p.115–117 (2017)]. Known giant ME effect in the field of electromechanical resonance (EMR) in two-phase composite materials, consisting of gallium arsenide and nickel, cobalt [Laletin VM, Stogniy AI, Novitsky NN, Poddubnaya NN. Magnetoelectric effect in structures based on metallized gallium arsenide substrates // Technical Physics Letters. - 2014. - T. 40. - Issue. 21. - pp. 71–77] and metglas [M.I. Bichurin, V.M. Petrov, V.S. Leontiev, S.N. Ivanov, O.V. Sokolov Magnetoelectric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide. JMMM 424, p. 115-117 (2017)].

Известны магниторезисторы – это резисторы, выполненные из проводящих или полупроводниковых материалов, сопротивление которых меняется под воздействием внешнего магнитного поля. В основе работы таких магниторезисторов лежит эффект Гаусса, связанный с действием силы Лоренца [Викулин И.М., Викулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы. - М.: Радио и связь, 1983. - 104 с.; Котенко Г.И. Магниторезисторы. Л., «Энергия», 1972. - 80 с.]. Known magnetoresistors are resistors made of conducting or semiconducting materials, the resistance of which changes under the influence of an external magnetic field. The operation of such magnetoresistors is based on the Gauss effect associated with the action of the Lorentz force [IM Vikulin, LF Vikulina, VI Stafeev. Galvanomagnetic devices. - M .: Radio and communication, 1983. - 104 p .; G. I. Kotenko Magnetoresistors. L., "Energy", 1972. - 80 p.].

Известен магниторезистор, состоящий из пластины примесного полупроводника с омическими контактами, ширина которой превышает расстояние между омическими контактами и соизмерима с длиной свободного пробега свободных носителей заряда примесного полупроводника [Магниторезистор: Авт.свид. СССР № 882362: МПК H01L 43/08/ Климовская А.И., Апостолов А.И., Еросов Ю.И., Панчина Ж.И. и Панаетова Г.А.; заявитель и патентообладатель Институт полупроводников АН УССР. – № 2849923/18-25; заявл. 10.12.79; опубл. 23.02.86, Бюл. № 7]. При отсутствии внешнего магнитного поля электроны проходят расстояние между омическими контактами без рассеяния и сопротивление магниторезистора при этом минимальное. При воздействии внешнего магнитного поля и увеличения его величины большая часть электронов не достигает противоположного контакта, а скорость их дрейфа уменьшается. Это приводит к увеличению сопротивления. Known magnetoresistor, consisting of an impurity semiconductor plate with ohmic contacts, the width of which exceeds the distance between ohmic contacts and is commensurate with the free path of free charge carriers of the impurity semiconductor [Magnetoresistor: Avt.svid. USSR № 882362: IPC H01L 43/08 / Klimovskaya A.I., Apostolov A.I., Erosov Yu.I., Panchina Zh.I. and Panayetova G.A .; applicant and patentee Institute of Semiconductors of the Academy of Sciences of the Ukrainian SSR. - No. 2849923 / 18-25; declared 10.12.79; publ. 02/23/86, Bul. No. 7]. In the absence of an external magnetic field, electrons pass the distance between ohmic contacts without scattering and the resistance of the magnetoresistor is minimal. When exposed to an external magnetic field and increasing its value, most of the electrons do not reach the opposite contact, and the speed of their drift decreases. This leads to increased resistance.

Известен магниторезистор, выполненный в виде полупроводниковой пластины с растром из металлических полосок, расположенной на концентраторе магнитного поля [Магниторезистор: Авт.свид. СССР № 1085460: МПК H01L 43/08 / Беляев Б.А., Тюренев В.В.; заявитель и патентообладатель Институт физики им. Л.В. Киренского. – № 3483148/25; заявл. 09.08.1982; опубл. 10.03.2012, Бюл. № 7]. Для повышения чувствительности в области слабых магнитных полей, концентратор выполнен в виде пленки из магнитомягкого материала с высокой намагниченностью насыщения. Known magnetoresistor, made in the form of a semiconductor plate with a raster of metal strips, located on the magnetic field concentrator [Magnetoresistor: Avt.svid. USSR No. 1085460: IPC H01L 43/08 / Belyaev BA, Tyurenev VV; applicant and patentee Institute of Physics named after L.V. Kirensky. - No. 3483148/25; declared 08/09/1982; publ. 10.03.2012, Bul. No. 7]. To increase the sensitivity in the region of weak magnetic fields, the concentrator is made in the form of a film of soft magnetic material with high saturation magnetization.

Известен магниторезистор, представляющий собой пластину из варизонного полупроводника (например, Ga_1-xAl_xAs) с контактами, расположенными на стороне пластины, где ширина запрещенной зоны минимальна [Магниторезистор: Авт.свид. СССР № 460813: МПК H01L 29/82 А.Ю. Матуленис, Ю.К. Пожела, Б.В. Царенков, В.Ю. Юцене, Ю.П. Яковлев.; заявитель и патентообладатель Институт физики полупроводников АН Литовской ССР и Физико-технический институт им. Иоффе. – № 1903336/26-25; заявл. 04.04.73; опубл. 30.06.78, Бюл. № 24]. При пропускании тока через пластину в магнитном поле, направленном перпендикулярно направлению тока, под действием силы Лоренца электроны отклоняются из одной части варизонного кристалла в другую. Такое смещением носителей приводит к увеличению (или уменьшению) сопротивления полупроводниковой пластины. Known magnetoresistor, which is a plate of graded-gap semiconductor (for example, Ga _1-x Al _x As) with contacts located on the side of the plate, where the band gap is minimal [Magnetoresistor: Avt.svid. USSR No. 460813: IPC H01L 29/82 A.Yu. Matulenis, J.K. Pozhela, B.V. Tsarenkov, V.Yu. Yutsen, Yu.P. Yakovlev .; applicant and patentee of the Institute of Semiconductor Physics of the Academy of Sciences of the Lithuanian SSR and the Physico-Technical Institute named after Ioffe. - No. 1903336 / 26-25; declared 04/04/73; publ. 06/30/78, Bul. No. 24]. When a current is passed through the plate in a magnetic field directed perpendicular to the direction of the current, under the action of the Lorentz force, electrons are deflected from one part of the graded-gap crystal to another. This displacement of carriers leads to an increase (or decrease) in the resistance of the semiconductor wafer.

Недостатками известных конструкций магниторезисторов являются низкая магниточувствительность, необходимость больших магнитных полей и малый динамический диапазон.The disadvantages of the known designs of magnetoresistors are low magnetic sensitivity, the need for large magnetic fields and a small dynamic range.

Наиболее близким по техническому решению является полупроводниковый магниторезистор, содержащий подложку из полуизолирующего арсенида галлия, магниторезистивный слой из монокристаллической пленки германия p-типа проводимости, контактные площадки и измерительные выводы из медной проволоки. Воздействие магнитного поля приводит к изменению электрического сопротивления магниторезистивной пленки [Полупроводниковый магниторезистор и способ его изготовления: Авт.свид. СССР № 1728903: МПК H01L 43/08, 43/00 / Н.Т. Горбачук; заявитель и патентообладатель: Киевский технологический институт легкой промышленности. – № 4817532/25; заявл. 24.04.90; опубл. 23.04.92, Бюл. №15] - прототип.The closest in technical solution is a semiconductor magnetoresistor containing a semi-insulating gallium arsenide substrate, a magnetoresistive layer of a single-crystal film of p-type germanium, contact pads and measuring leads made of copper wire. Exposure to a magnetic field leads to a change in the electrical resistance of the magnetoresistive film [Semiconductor magnetoresistor and its manufacturing method: Avt.svid. USSR No. 1728903: IPC H01L 43/08, 43/00 / N.T. Gorbachuk; applicant and patentee: Kiev Technological Institute of Light Industry. - No. 4817532/25; declared 04.24.90; publ. 04/23/92, Bul. No. 15] - prototype.

Недостатками прототипа являются низкая магниточувствительность, необходимость больших магнитных полей и малый динамический диапазон.The disadvantages of the prototype are low magnetic sensitivity, the need for large magnetic fields and a small dynamic range.

Задачей предложенного решения является повышение чувствительности к магнитному полю. The objective of the proposed solution is to increase the sensitivity to the magnetic field.

Для решения данной задачи предложен МЭ резистивный элемент, состоящий из магниторезистивного полупроводникового материала и двух омических контактов, отличающийся тем, что в качестве магниторезистивного полупроводникового материала применена композиционная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура.To solve this problem, it is proposed A ME resistive element consisting of a magnetoresistive semiconductor material and two ohmic contacts, characterized in that a composite magnetostrictive-piezosemiconductor structure is used as a magnetoresistive semiconductor material.

Для реализации МЭ резистивного элемента предлагается вместо магниторезистивного полупроводникового материала применить композиционные магнитострикционно-пьезополупроводниковые структуры на основе различных магнитострикционных материалов (никеля, метгласа, пермендюра и др.) и высокоомных пьезополупроводников (GaAs, GaN, AlN, SiC и др.) для управления сопротивлением резистора. Благодаря наличию в такой структуре МЭ эффекта возможно резонансное увеличение магнитной чувствительности к магнитному полю в области электромеханического резонанса с использованием различных типов колебаний (продольной, поперечной, толщинной, изгибной, сдвиговой, крутильной мод). Предлагаемое решение позволяет получить следующий технический результат - повышение чувствительности к магнитному полю. To implement the ME resistive element, instead of a magnetoresistive semiconductor material, it is proposed to use composite magnetostrictive-piezosemiconductor structures based on various magnetostrictive materials (nickel, metglass, permendur, etc.) and high-resistance piezoelectric semiconductors (GaAs, GaN, AlN, SiC, etc.) to control the resistance of the resistor ... Due to the presence of the ME effect in such a structure, a resonant increase in the magnetic sensitivity to the magnetic field in the region of electromechanical resonance is possible using various types of vibrations (longitudinal, transverse, thickness, bending, shear, torsional modes). The proposed solution allows you to obtain the following technical result - increased sensitivity to the magnetic field.

Для пояснения предполагаемого решения предложен чертеж. A drawing is proposed to clarify the proposed solution.

Фиг. 1- Конструкция МЭ резистивного элемента.FIG. 1- Design of ME resistive element.

Конструкция МЭ резистивного элемента состоит из композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1 и омических контактов 2, 3. The design of the ME resistive element consists of a composite magnetostrictive-piezosemiconductor structure 1 and ohmic contacts 2, 3.

МЭ резистивный элемент работает следующим образом. ME resistive element works as follows.

Предлагаемая конструкция размещается во внешнем постоянном магнитном поле Н, ориентированном, как показано на фиг.1, намагничивая магнитную компоненту композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1 до насыщения. Внешнее переменное магнитное поле h(t) приводит к периодической механической деформации магнитной компоненты композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1 с частотой модуляции за счет магнитострикции. Благодаря механической связи между компонентами композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1, возникающие в магнитострикционной компоненте механические деформации передаются пьезополупроводниковой компоненте. Модулированные механические деформации в пьезополупроводниковой компоненте приводят к возникновению ЭДС в результате пьезоэлектрического эффекта и к модуляции сопротивления резистора и протекающего тока за счет увеличения пути прохождения носителей заряда между омическими контактами 2 и 3. Модуляция сопротивления резистора приводит к изменению его вольт-амперной характеристики, измеряемой с помощью омических контактов 2 и 3. При совпадении частоты модулирующего магнитного поля и собственной резонансной частотой композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1, например, с частотой продольных колебаний, определяющихся длиной МЭ резистивного элемента, будет наблюдаться увеличение чувствительности МЭ резистора к магнитному полю за счет резонансного МЭ эффекта. Для усиления МЭ эффекта необходимо совпадение направлений постоянного и переменного магнитных полей. The proposed structure is placed in an external constant magnetic field H, oriented, as shown in Fig. 1, magnetizing the magnetic component of the composite magnetostrictive-piezosemiconductor structure 1 to saturation. An external alternating magnetic field h (t) leads to periodic mechanical deformation of the magnetic component of the composite magnetostrictive-piezosemiconductor structure 1 with a modulation frequency due to magnetostriction. Due to the mechanical connection between the components of the composite magnetostrictive-piezosemiconductor structure 1, mechanical deformations arising in the magnetostrictive component are transferred to the piezosemiconductor component. Modulated mechanical deformations in the piezoelectric component lead to the emergence of an EMF as a result of the piezoelectric effect and to modulation of the resistance of the resistor and the flowing current due to an increase in the path of the charge carriers between ohmic contacts 2 and 3. Modulation of the resistance of the resistor leads to a change in its current-voltage characteristic, measured with by means of ohmic contacts 2 and 3. When the frequency of the modulating magnetic field and the natural resonance frequency of the composite magnetostrictive-piezoelectric semiconductor structure 1 coincide, for example, with the frequency of longitudinal oscillations determined by the length of the ME resistive element, an increase in the sensitivity of the ME resistor to the magnetic field will be observed due to the resonant ME effect. To enhance the ME effect, it is necessary to match the directions of the constant and alternating magnetic fields.

Таким образом, предлагаемая конструкция МЭ резистивного элемента позволяет повысить чувствительность магнитоэлектрических датчиков магнитного поля, электрического тока, преобразователей, источников возобновляемой энергии, устройств медицинской техники и других устройств.Thus, the proposed design of the ME resistive element makes it possible to increase the sensitivity of the magnetoelectric sensors of the magnetic field, electric current, converters, renewable energy sources, medical equipment and other devices.

Claims

A magnetoelectric resistive element consisting of a magnetoresistive semiconductor material and two ohmic contacts, characterized in that a composite magnetostrictive-piezosemiconductor structure is used as a magnetoresistive semiconductor material.