Что такое магнитодиоды и где они применяются

Магнитодиод — разновидность полупроводникового диода, вольт-амперная характеристика которого может изменяться под влиянием магнитного поля.

Это происходит благодаря магнитодиодному эффекту, который возникает в полупроводниковых структурах с неравновесной проводимостью при воздействии магнитного поля.

Магнитодиоды отличаются от обычных диодов тем, что имеют толстую базу, в которой длина пути тока значительно больше диффузионной длины инжектированных носителей.

В отличие от обычных диодов, у магнитодиодов сопротивление базы существенно зависит от магнитного поля. При увеличении индукции магнитного поля сопротивление базы увеличивается, что приводит к уменьшению прямого тока через диод. Это связано с перераспределением напряжения: падение напряжения на базе увеличивается, а на p-n-переходе уменьшается, что дополнительно снижает ток.

Обычный полупроводниковый диод имеет тонкую базу, поэтому магнитное поле слабо изменяет его вольт-амперную характеристику. Тогда как магнитодиоды отличаются толстой (длинной) базой, с которой протяженность пути для тока сильно превышает диффузную длину инжектированных в базу носителей.

Традиционная толщина базы — всего несколько миллиметров, и ее сопротивление соразмерно прямому сопротивлению p-n-перехода. С ростом индукции магнитного поля, направленного поперек нее, сопротивление базы сильно возрастает, как у магниторезистора.

Общее сопротивление диода при этом тоже увеличивается, а прямой ток уменьшается. Данное явление уменьшения тока связано еще и с тем, что когда сопротивление базы становится больше, напряжение перераспределяется, падение напряжения на базе увеличивается, а падение напряжения на p-n-переходе уменьшается, и ток соответственно снижается.

Количественно магнитодиодный эффект можно рассмотреть, взглянув на вольт-амперную характеристику магнитодиода, которая приведена на рисунке. Здесь очевидно, что с ростом магнитной индукции прямой ток снижается.

Дело в том, что от обычных полупроводниковых диодов магнитодиод отличается тем, что он изготавливается из высокоомного полупроводника, проводимость которого близка к собственной, а длина базы d в несколько раз больше длины диффузного смещения носителей L. Тогда как в обычных диодах d меньше L.

Отметим, что магнитодиодам свойственно большее прямое падение напряжения, в отличие от классических диодов, что как раз и объясняется увеличенным сопротивлением базы. Другими словами, магнитодиод — это полупроводниковый прибор с p-n переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника.

Магнитодиоды изготавливают из полупроводников не только высокоомных, но и с как можно большей подвижностью носителей заряда. Зачастую структура магнитодиода p-i-n, при этом область i удлинена, и имеет существенное сопротивление, именно в ней наблюдается ярко выраженный магниторезистивный эффект. При этом чувствительность магнитодиодов к изменению магнитной индукции выше чем у датчиков Холла из того же материала.

Например, у магнитодиодов КД301В при В = 0 и I = 3 мА падение напряжения на диоде составляет 10 В, а при B = 0,4 Тл и I = 3 мА – около 32 В. В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями.

Падение напряжение происходит в основном не на p-n-переходе, как в обычном диоде, а на высокоомной базе. Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле B, то произойдёт увеличение сопротивления базы. Это приведёт к уменьшению тока через магнитодиод.

В «длинных» диодах (d/L > 1, где d — длина базы, L — эффективная длина диффузионного смещения) распределение носителей, а следовательно сопротивление диода (базы) определяется именно длиной L.

Уменьшение L вызывает понижение концентрации неравновесных носителей в базе, то есть повышение её сопротивления. Это, как отмечалось выше, вызывает увеличение падения напряжения на базе и уменьшение на p-n переходе (при U=const). Уменьшение падения напряжения на p-n переходе вызывает снижение инжекционного тока и, следовательно, дальнейшее увеличение сопротивления базы.

Длину L можно изменять, воздействуя на диод магнитным полем. Такое воздействие практически приводит к закручиванию движущихся носителей, и их подвижность уменьшается, следовательно, уменьшается как-бы и L. Одновременно удлиняются линии тока, то есть эффективная толщина базы растёт. Это и есть объемный магнитодиодный эффект.

Магнитодиоды широко и разнообразно применяются: бесконтактные кнопки и клавиши, датчики положения перемещающихся тел, магнитное считывание информации, контроль и измерение неэлектрических величин, преобразователи магнитных полей и преобразователи угла. 

Они также могут служить усилителями постоянного и переменного тока, где магнитное поле управляет работой диода.

Магнитодиоды встречаются в бесконтактных реле, магнитодиоды в составе схем заменяют коллекторы двигателей постоянного тока. Есть магнитодиодные усилители переменного и постоянного тока, где входом служит катушка электромагнита, управляющая магнитодиодом, а выход — непосредственно цепь диода. При токах до 10 А удается получать коэффициенты усиления порядка 100.

Отечественной промышленностью выпускается несколько типов магнитодиодов. Их чувствительность лежит в пределах от 10^-9 до 10^-2 А/м. Существуют также магнитодиоды, способные определять не только напряжённость магнитного поля, но и его направление.

Из сказанного выше понятно, что для использования магнитодиодов требуется источник постоянного или переменного магнитного поля. В качестве такого источника могут применяться постоянные магниты или электромагниты.

Магнитодиоды следует устанавливать таким образом, чтобы магнитные силовые линии были перпендикулярны боковым граням полупроводниковой структуры.

Допускается работа магнитодиодов при последовательном соединении. При необходимости эксплуатации магнитодиодов в условиях относительной влажности окружающей среды до 98% и при температуре 40 °С рекомендуется дополнительная герметизация с помощью компаундов на основе эпоксидных смол.

При необходимости эксплуатации магнитодиодов в условиях относительной влажности окружающей среды до 98% и при температуре 40 °С рекомендуется дополнительная герметизация с помощью компаундов на основе эпоксидных смол.

Это защитит полупроводниковую структуру от воздействия влаги и обеспечит надежную работу магнитодиодов в различных условиях эксплуатации. Кроме того, герметизация может также улучшить механическую прочность конструкции и предотвратить коррозию контактов.

FAQ: Часто задаваемые вопросы о магнитодиодах

1. Можно ли перепутать магнитодиод с другим полупроводниковым элементом?
Магнитодиод отличается от стандартного диода более толстой базой и специфическим поведением во внешнем магнитном поле. Основной признак — изменение вольт-амперной характеристики при воздействии магнитного поля, что не встречается у обычных диодов.

2. Как правильно подобрать магнитодиод к схеме?
Необходимо учитывать рабочий диапазон токов, максимальное допустимое напряжение, чувствительность к магнитному полю и конструктивные размеры прибора. Для применения в усилителях и сенсорных схемах рекомендуется выбирать магнитодиоды с высокой подвижностью носителей и удлинённой базой.

3. Насколько магнитодиоды устойчивы к условиям эксплуатации?
Современные магнитодиоды рассчитаны на стандартный диапазон рабочих температур и влажности, однако их следует защищать от чрезмерной влаги и механических воздействий. Для работы во влажных или агрессивных средах корпус элемента рекомендуется герметизировать компаундом на эпоксидной основе.

4. Есть ли ограничения по монтажу или ориентации в пространстве?
Для максимально корректной работы магнитодиод всегда должен быть установлен так, чтобы силовые линии внешнего магнитного поля проходили перпендикулярно к длинной оси базы. Это увеличивает чувствительность и надёжность прибора.

5. В каких современных устройствах чаще всего используют магнитодиоды?
Наиболее востребованы они в магнитных сенсорах, робототехнике, автоматизированных конвейерных линиях, бесконтактных реле, а также специализированных измерительных приборах для непрямого измерения силы тока и магнитной индукции.

Современные и инновационные применения магнитодиодов 

• Сенсорные панели, в том числе защищённые от влаги/пыли;

• Надёжные магнитные энкодеры в промышленных роботах;

• Системы бесконтактного контроля перемещения в автоматизированных складах;

• Малогабаритные датчики угла и магнитной индукции для инжекторных двигателей и электромобилей;

• Интеграция в IoT-устройства (системы "умного" дома для контроля окон и дверей);

• Применение в медицине — датчики для регистраций биомагнитных полей.

Популярные типы магнитодиодов на основании справочных данных

Зарубежные магнитодиоды

• BPW34F — коммерческий фотодиод, обладающий чувствительностью к магнитным изменениям, широко используется для лабораторных и промышленных датчиков.

• CMRP — тип диодов, применяемый в крупных физических установках для мониторинга радиации и магнитного поля (например, эксперименты ATLAS на CERN).

• Magneto-diode Prototype — современный класс устройств, применяемых в спинтронике и чипах с магнитоуправляемой логикой (Jinki Hong, Korea).

• S1223 — универсальный фотодиод, применяемый и в магниточувствительных устройствах при соответствующей схеме включения.

Андрей Повный