МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИОД

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована при разработке таких устройств, как высокочувствительные датчики магнитного поля, электрического тока, электромагнитного поля, преобразователи, источники возобновляемой энергии и др.
Основное применение магииточувствительных приборов заключается в построении на их основе устройств автомобильной электроники, автоматики, систем безопасности, биомедицинского оборудования, навигации, зондировании Земли и др.
Известен магнитоэлектрический (МЭ) эффект в двухфазных композитных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонентов, и 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 (ЭМР) в двухфазных композитных материалах, состоящих из арсенида галлия и никеля, кобальта (см. Лалетин В.М., Стогний А.И., Новицкий Н.И., 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 (см. 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 магнитодиоды, представляющие собой полупроводниковые приборы с р-n переходом и омическим невыпрямляющим контактом, между которыми находится высокоомная область полупроводника, (см. Стафеев В.И., Каракушан Э.И. Магнитодиоды. - М.: Наука, 1975. - 216 с). При помещении таких приборов во внешнее магнитное поле в них возникает магнитодиодный эффект, проявляющийся в сильном изменении сопротивления баш диода и прямого тока вследствие резкого изменения концентрации неравновесных носителей под воздействием внешнего магнитного поля.
Известен вертикальный магнитодиод, выполненный на полупроводниках с S-образной характеристикой (см. Магнитодиод: а.с. 1161831 СССР: МКИ G01R 33/00 / М. Мирзабаев, К.Д. Потаенко, Ш.А. Хайруллаев и Г.М. Шишков (СССР). - №3497847/24-21; заявл. 06.10.82; опубл. 15.06.85, Бюл. №22. - 3 с). В таких магнитодиодах положительная обратная связь, ответственная за возникновение S-образной вольт-амперной характеристики, ослабевает за счет магнитодиодного эффекта.
Известен горизонтальный магнитодиод, выполненный на высокоомной полупроводниковой подложке в виде меза-структур с помощью диффузии, представляющий собой одновременно несколько магнитодиодов с различной длиной базы, (см патент Способ изготовления магнитодиода: пат. 2304322 Рос.Федерация: МПК Н01L 21/18 (2006/1) / Баринов И.Н., Козин С.А., Блинов А.В.; заявитель и патентообладатель ФГУП «НИИ физических измерений». - №2005133015/28; заявл. 26.10.2005; опубл. 10.08.2007, Бюл. №22. - 5 с). Предложенные решения позволяют проводить технологическую подгонку магнитодиодов по чувствительности, расширить динамический диапазон магниточувствительности, снизить себестоимость и повысить процент выхода годных приборов.
Недостатками известных конструкций магнитодиодов являются низкая магниточувствительность, необходимость больших магнитных полей и малый динамический диапазон.
Наиболее близким по техническому решению является магнитодиод, который представляет собой полупроводниковый прибор с р-n переходом и омическом контактом, между которыми находится высокоомного область полупроводника (p-i-n-структура). Магнитодиоды изготавливаются из высокоомного полупроводникового материала с проводимостью, близкой к собственной, и шириной базы в несколько раз большей диффузионной длины пробега носителей. В длинных диодах при прохождении электрического тока определяющими становятся процессы, зависящие от рекомбинации и движения неравновесных носителей заряда в базе и на поверхности. В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжения происходит не на р-n переходе, а на высокоомной базе. Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле, то произойдет увеличение сопротивления баш за счет повышения роли поверхностной рекомбинации отклоняющихся к поверхности полупроводника носителей заряда. Пропорционально величине внешнего магнитного поля изменяется вольт-амперная характеристика магнитодиода. (см. Егиазарян Г.А., Стафеев В.И. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1987, с. 12-13) - прототип.
Недостатками прототипа являются низкая магниточувствительность, необходимость больших магнитных полей и малый динамический диапазон.
Задачей предложенного решения является повышение чувствительности к магнитному полю.
Поставленная задача достигается тем, что в магнитоэлектрическом диоде, состоящем из горизонтально расположенных областей p, i и n - типа, сформированных в высокоомной полупроводниковой подложке, в качестве высокоомной i-области используются композиционные магнитострикционно-пьезополупроводниковые структуры.
Для решения данной задачи предложен магнитоэлектрический (МЭ) диод. Для реализации МЭ диода предлагается вместо высокоомной области горизонтального p-i-n - диода использовать композиционные магнитострикционно-пьезополупроводниковые структуры на основе магнитострикционных материалов (никеля метгласа, пермеидюра и др.) и высокоомных пьезополупроводников (GaAs, GaN, AlN, SiC и др.) для управления сопротивлением базы. Благодаря наличию в таком приборе МЭ эффекта возможно резонансное увеличение магнитной чувствительности к магнитному полю в области электромеханического резонанса с использованием различных типов колебаний (продольной, поперечной, толщинной, сдвиговой, крутильной мод). При совпадении частот электромеханического и ферромагнитного резонансов в композиционной магиитострикционно-пьезоиолупроводниковой структуре возможно дополнительное увеличение чувствительности. Предлагаемое решение позволяет получить следующий технический результат - повышение чувствительности к магнитному полю.
Для пояснения предполагаемого решения предложен чертеж.
Фиг. 1 - Конструкция МЭ диода.
Устройство состоит из композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1, области p-типа 2, области n-типа 3, омических контактов 4 и 5.
Устройство работает следующим образом.
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 модулирующее 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 пьезопол у проводниковой компоненте. Модулированные механические деформации в пьезополупроводниковой компоненте приводят к возникновению ЭДС в результате пьезоэлектрического эффекта и к модуляции сопротивления базы и прямого тока МЭ диода за счет увеличения пути прохождения носителей заряда между областями p-типа 2 и n-типа 3. Модуляция базы диода приводит к изменению вольт-амперной характеристики диода, измеряемой с помощью омических контактов 4 и 5. При совпадении частоты модулирующего магнитного поля и собственной резонансной частотой композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1, например, с частотой продольных колебаний, определяющихся длиной базы МЭ диода, будет наблюдаться увеличение чувствительности МЭ диода к магнитному полю благодаря резонансному МЭ эффекту, (см. 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)).
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет повысить чувствительность магнитоэлектрических датчиков магнитного поля, электрического тока, преобразователей, источников возобновляемой энергии, устройств медицинской техники и других устройств.