Магнитоэлектрический тиристор

Предложенное решение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при разработке таких магниточувствительных устройств, как источники возобновляемой энергии, высокочувствительные датчики тока и магнитного поля, преобразователи, переключатели и др.
Основное применение магниточувствительных приборов и устройств заключается в построении на их основе устройств силовой электроники, автоматики, медицинского оборудования, автомобильной электроники, систем безопасности, навигации, зондирования Земли и др.
Известен магнитоэлектрический (МЭ) эффект в двухфазных композиционных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонентов, заключающийся в намагничивании материала при воздействии на него внешнего электрического поля и появлении электрической поляризации при воздействии внешнего магнитного поля (см. 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 материалы перспективными для построения различных устройств функциональной электроники на их основе. Параметры таких устройств зависят от величины МЭ эффекта в композиционном материале.
Известен гигантский МЭ эффект в области электромеханического резонанса в двухфазных композиционных материалах, состоящих из арсенида галлия и никеля, кобальта, метгласа (см. 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; 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 МЭ композиционные материалы с градиентом намагниченности магнитострикционной компоненты и градиентом поляризации сегнетоэлектрической компоненты (M.I. Bichurin and et. Magnetoelectric Effect in the Bidomain Lithium Niobate/Nickel/Metglas Gradient Structure, 2019, Physica Status Solidi (b) DOI: 10.1002/pssb.201900398; Бичурин М. И., Петров В. М., Семенов Г. А. Магнитоэлектрический материал для компонентов радиоэлектронных приборов // Патент №2363074 от 27.07.2009). Наличие градиента намагниченности в таких материалах приводит к созданию внутреннего постоянного магнитного поля, что исключает необходимость во внешнем магнитном поле, обычно создаваемом внешними постоянными магнитами.
Известна высокая чувстительность тиристоров (четырехслойных полупроводниковых структурах типа p-n-p-n или n-p-n-p) к воздействию внешнего магнитного поля (см. Стафеев В.И., Каракушан Э.И. Магнитодиоды. - М.: Наука, 1975. - 216 с.).
Известны планарные магнитотиристоры типа p-n-p-n, использующие эффект отклонения инжектированных носителей от коллектора (см. Викулин И.М., Викулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы. - М.: Радио и связь, 1983. - С. 68-69). В зависимости от полярности внешнего поперечного мганитного поля, направленного перпендикулярно движению носителей заряда, инжектированные из анода в n-базу дырки отклоняются к верхней (или нижней) поверхности полупроводникой подложки. В таком случае их путь к коллектору уменьшается (или увеличивается), что приводит при низкой скорости поверхностной рекомбинации к уменьшению (увеличению) напряжения перключения тиристора пропорционально величине магнитного поля.
Известен двухколлекторный магнитотиристор, состоящий из двух p-n-p-n тиристоров, у которых один эмиттер и длинная база являются общими, что приводит к влиянию одного тиристора на другой (см. И.М. Викулин, М.А. Глауберман, В.В. Козел, Н.А. Канищева, «Исследование двухколлекторных магнитотиристоров», Физика и техника полупроводников, 18:3 (1984), 547-550). Внешнее нормально направленное магнитное поле отклоняет носители заряда к одному коллектору, а при обратной полярности мганитногго поля - к другому пропорционально величине магнитного поля. В связи с отклонением носителей в магнитном поле происходит изменение коэффициентов передачи транзисторов, а следовательно, и напряжения включения каждого из тиристоров.
Известен двухкатодный планарный дрейфовый магнитотиристор с поперечной магнитной связью, получающийся путем формирования в коллекторных областях двухколлекторного магнитотранзистора областей противоположного типа проводимости, который содержит на общей базе n-типа общий анод и две базы p-типа, в каждой из которых сформировано по одному катоду n++-типа (Магнитотранзисторы: физика, моделирование, применение./ Глауберман М.А., Егоров В.В., Кулинич О.А. Монография. - Lambert Academic Publishing (Germany), 2012. - 136 с.).
Недостатками известных конструкций магнитотиристоров являются малый динамический диапазон, низкая магниточувствительность и необходимость больших магнитных полей.
Наиболее близким по техническому решению является магнитотиристор с горизонтальным расположением областей типа p-n-p-n, область высокой рекомбинации которого располагается на нижней стороне полупроводниковой пластины. В качестве такой области выступает омический контакт к базе, одновременно выполняющий функции управляющего электрода тиристора. Под воздействием внешнего поперечного магнитного поля, направленного перпендикулярно движению носителей заряда, инжектированные из анода дырки отклоняются в сторону управляющего электрода, что приводит к уменьшению их эффективного времени жизни и увеличению траектории движения от анода к катоду. В результате уменьшается коэффициент передачи тока p-n-p транзистора и увеличивается напряжение переключения магнитотиристора. При обратной полярности магнитного поля напряжение переключения магнитотиристора уменьшается (см. Викулин И.М., Викулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы. - М.: Радио и связь, 1983. - С.70-71) - прототип.
Недостатками прототипа являются малый динамический диапазон, низкая магниточувствительность и необходимость больших магнитных полей.
Задачей предложенного решения является повышение чувствительности к магнитному полю.
Поставленная задача достигается тем, что в магнитоэлектрическом (МЭ) тиристоре, состоящем из подложки, двух областей p-типа, двух областей n-типа, омических контактов к аноду и катоду, в качестве подложки используется композиционная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура с градиентом намагниченности, состоящая из высокоомного пьезополупроводникового слоя и магнитострикционного слоя с градиентом намагниченности.
Предложен магнитоэлектрический (МЭ) тиристор, состоящий из подложки, двух областей p-типа, двух областей n-типа, омических контактов к аноду и катоду, в котором вместо полупроводниковой подложки используется композиционная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура с градиентом намагниченности, работающая в области изгибных колебаний электромеханического резонанса.
Для реализации МЭ тиристора предлагается вместо полупроводниковой подложки использовать композиционную магнитострикционно-пьезополупроводниковую структуру с градиентом намагниченности на основе высокоомного пьезополупроводникового слоя (например, GaAs, GaN, AlN, SiC или др.) и магнитострикционного слоя с градиентом намагниченности (например, метглас/никель или др.), работающую в области изгибных колебаний, для управления сопротивлением проводящего канала. Благодаря наличию в таком приборе МЭ эффекта возможно резонансное увеличение магнитной чувствительности к магнитному полю в области электромеханического резонанса с использованием различных типов колебаний. Наличие градиента намагниченности приводит к созданию внутреннего постоянного магнитного поля, что позволяет исключить из конструкции внешний постоянный магнит. Предлагаемое решение позволяет получить следующий технический результат - повышение чувствительности к магнитному полю.
Для пояснения предлагаемого решения предложен чертеж.
Фиг. 1 - конструкция МЭ тиристора.
Прибор состоит из композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры с градиентом намагниченности, состоящей из высокоомного пьезополупроводникового слоя 1 и магнитострикционного слоя с градиентом намагниченности 2, областей p-типа 3 и 5, областей n-типа 4 и 6, омических контактов к аноду 7 и катоду 8.
Прибор работает следующим образом.
0
За счет внутреннего магнитного поля H магнитострикционный слой с градиентом намагниченности намагничивается до насыщения в направлении, показанном на фиг. 1. Внешнее поперечное переменное модулирующее магнитное поле h(t), ориентированное в направлении, показанном на фиг. 1 перпендикулярно направлению движения носителей заряда, приводит к периодической механической деформации магнитострикционного слоя с частотой модуляции за счет магнитострикции. Возникающие в магнитострикционном слое механические деформации, благодаря механической связи, передаются высокоомному пьезополупроводниковому слою. Модулированные механические деформации в высокоомном пьезополупроводниковом слое приводят к возникновению ЭДС в результате пьезоэлектрического эффекта и к модуляции сопротивления базы тиристора пропорционально величине внешнего магнитного поля. Модуляция сопротивления базы тиристора, в сочетании с искривлением траектории движения носителей заряда канала, приводит к изменению напряжения переключения тиристора пропорционально величине внешнего магнитного поля. При совпадении частоты модулирующего магнитного поля с частотой изгибных колебаний электромеханического резонанса композитной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры с градиентом намагниченности, состоящей из высокоомного пьезополупроводникового слоя и магнитострикционного слоя с градиентом намагниченности, будет наблюдаться увеличение чувствительности к магнитному полю МЭ тиристора за счет резонансного МЭ эффекта. Частота изгибных колебаний будет определяться размерами композитной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры МЭ тиристора.
Таким образом, предлагаемая конструкция МЭ тиристора позволяет повысить чувствительность к магнитному полю таких устройств на его основе, как источники возобновляемой энергии, высокочувствительные датчики тока и магнитного поля, преобразователи, переключатели и др.