Лабораторная работа №3

Исследование ИНТЕНСИВНОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЭЛЕКТРОПРИБОРОВ

Цель работы - ознакомиться методами и средствами измерения переменных МП, изучить принцип действия полупроводникового датчика МП, и приобрести навыки контроля интенсивности МП от электроприборов различного назначения.

3.1. Объекты исследования

Электроприборы различного назначения (выбор объекта производится преподавателем)

3.2. Теоретические сведения

3.2.1. Гальваномагнитнорекомбинационный эффект

Энергетическая структура поверхности любого полупроводника всегда отличается от объемной, что обусловлено наличием в запрещенной зоне определенных разрешенных уровней энергии. Эти уровни связаны с обрывом кристаллических связей на поверхности, наличием на ней дефектов и дислокаций, адсорбированных атомов и молекул. Вся совокупность этих энергетических уровней называется поверхностными состояниями. Энергетические уровни поверхностных состояний могут служить ловушками захвата или центрами рекомбинации. Центрами рекомбинации служат поверхностные состояния, энергетические уровни которых расположены вблизи середины запрещенной зоны под уровнем Ферми, а, следовательно, заполнены электронами. Тогда при захвате на них дырки из валентной зоны происходит акт рекомбинации.

Скорость поверхностной рекомбинации имеет размерность скорости [см/с] и определяется концентрациями центров рекомбинации на поверхности и носителей заряда, подходящих к ней.

Рассмотрим теперь плоский образец полупроводника, вдоль которого протекает ток, причем образец однородный и, следовательно, линии тока параллельны его граням, и концентрация носителей одинакова во всем объеме, если не учитывать влияние поверхностей. Однако на поверхности происходит рекомбинация электронно-дырочных пар, а, следовательно, вблизи нее этих пар будет не хватать, т.е. создается градиент концентрации от поверхности к центру образца. Если скорости поверхностной рекомбинации на обеих гранях образца одинаковые, то градиенты концентрации от одной и от другой грани образца будут одинаково искривлять траектории движения носителей. Если теперь приложить к образцу магнитное поле, то за счет силы Лоренца концентрация носителей у одной из граней увеличивается, а у другой уменьшается, за счет чего на первой скорость поверхностной рекомбинации возрастает, а на второй уменьшается. Однако общее число рекомбинирующих пар не изменится, и проводимость образца может измениться только за счет искривления траектории движения носителей, что является обычным магниторезистивным эффектом. Однако, если скорость поверхностной рекомбинации на одной грани образца существенно больше, чем на другой, то помещение образца в магнитное поле приведет к существенному росту на этой грани поверхностной рекомбинации, а это значит, что под действием магнитного поля концентрация носителей в образце будет уменьшаться, что приведет к уменьшению проводимости. Это явление и носит название гальваномагниторекомбинационного эффекта.

Гальваномагниторекомбинационный эффект проявляется в полупроводниках с проводимостью близкой к собственной.

3.2.2. Гальваномагниторекомбинационные преобразователи (ГМРП)

ГМРП представляет собой пластинку, изготовленную из проводникового материала, в которой выделена область с большой скоростью рекомбинации носителей заряда (рис.3.1).

 

Рис.3.1.Конструкции ГМРП:1-полупроводниковая пластина, 2 - контакты, 3 - выводы, 4 - область с большой скоростью рекомбинации

При воздействии магнитного поля на эту область происходит изменение сопротивления ГМР элемента. Воздействие магнитного поля одной полярности приводит к увеличению сопротивления ГМР элемента. Изменение полярности магнитного поля вызывает возрастание сопротивления элемента.

Режим работы ГМР преобразователя определяется значением сопротивления нагрузки Rн (рис.3.2). Если оно в 10 раз превышает сопротивление преобразователя Rг, то последний работает в режиме питания от источника тока (Iуп=const.). В этом режиме обеспечивается максимальная чувствительность ГМР преобразователя.Можно так подобрать значение сопротивления R_н, что будет обеспечиваться режим работы с минимальным значением температурного коэффициента магнитной чувствительности (R_г/R_н=2.5).

Рис.3.2. Схема включения ГМР преобразователя магнитного поля

Чаще всего для изготовления ГМР преобразователей используется германий, обладающий высокой подвижностью и длиной диффузионного смещения около 1 мм. В принципе, для этих целей могут быть использованы и другие полупроводниковые материалы. Поверхностной рекомбинации препятствует слой объемного заряда. Наличие слоя окисла у поверхности кремния приводит к появлению слоя объемного заряда. Германий в отличие от кремния не окисляется на воздухе, обладает меньшей шириной запрещенной зоны, и, следовательно, слой объемного заряда у поверхности германия оказывается меньшей ширины и обладает меньшей высотой барьера, чем у поверхности кремния.

3.2.3. Параметры ГМРП

К числу основных специфических терминов и определений параметров ГМР преобразователей относятся:

Выходной сигналU_вых. Представляет собой разность выходных напряжений △U=U_вых=U_в-U₀, где U_в -напряжение на выходе ГМР элемента при номинальном значении индукции магнитного поля, U₀- напряжение на выходе ГМР элемента при отсутствии магнитного поля.

Номинальный рабочий ток. Это ток, при котором гарантируются параметры ГМРП, указанные в паспорте на прибор. Определяется по формуле I_ном = U_пит / (R_н + R_г ),где R_г - сопротивление ГМР элемента при В= B_О, R_н -сопротивление нагрузки.

Магнитная чувствительность γ. Представляет собой отношение отношение приращения выходного сигнала ΔU_B к вызвавшей его изменение магнитной индукции ΔB, при протекании рабочего тока I =const.

Температурный коэффициент чувствительности, определяемый по формуле Кγ=(100∆γ/γ△Т), где γ - магнитная чувствительность при нормальной (комнатной) температуре, △γ - изменение чувствительности, △Т - изменение температуры. Значение Кγ зависит от отношения R_г /R_н .

3.3. Оборудование и приборы для выполнения ЛР

Рис. 3.3. Внешний вид прибора Ф4356 68

В лабораторной работе применяется миллитесламетр типа Ф 4356 (рис. 3.3), предназначенный для измерений среднего значения индукции переменных магнитных полей в воздушных зазорах электрооборудования.

 

В качестве измерительного щупа используется щуп ГМРП-4 на основе гальваномагниторекомбинационного преобразователя. Параметры преобразователя приведены в табл. 3.1, характеристики миллитесламетра в таблице 3.2.

Таблица 3.1

Электрические параметры ГМРП в режиме максимальной магнитной чувствительности

 

Тип	I, мА	Rг, кОм	RH, кОм	γ, В/Тл	γ, %/град	размеры, мм
ГМРП-4	50	20	1.0	75	0.2	10.0х1.5х0.15

Основные характеристики миллитесламетра

Таблица 3.2

Характеристика	Значение
Пределы измерений. мТл	0.1,0.3,1, 3,10,30, 100
Основная приведённая погреш­ность прибора. %	±4 на пределах 1,3,10,30 и 100 мТл ±10 на пределах 0.1 и 0.3 мТл
Нормальная частота измеряемо­го МП	50 ... 1000 Гц на пределах 0,1 ... 3 мТл 50 Гц на пределах 10…. 100 мТл
Рабочий частотный диапазон прибора	20 ... 20000 Гц на пределах 0,1 и 0.3 мТл
Время установления показаний, с	Не более 4
Питание прибора	От сети переменного тока напряжением 220В ±10% 50±0,5Гц
Потребляемая мощность. ВА	Не более 10
Габаритные размеры, мм	310x230x150
Масса, кг	4.5
Измерительный зонд	ГМРП-4 размерами 50*5X1мм
Условия применения	Температура окружающего воздуха от 10 до 35°С Относительная влажность до 80 % при 25°С

 

3.4. Порядок выполнения ЛР

Лабораторная работа выполняется в следующей последовательности:

1. Ознакомиться с устройством, расположением и назначени­ем органов управления и контроля прибора Ф 4356.

2. Получить у преподавателя электроприборы для исследова­ния интенсивности МП.

3. Подготовить прибор к измерениям, для чего необходимо:

• подсоединить прибор к сети питания с помощью штеп­сельной вилки кабеля питания;

• установить максимальный диапазон измерений;

• включить прибор;

• проверить положение стрелки прибора относительно ну­левого значения шкалы, при необходимости подрегулировать со­ответствующим винтом на панели прибора;

• установить минимальный диапазон измерений и прове­рить точность установки нулевого положения стрелки прибора, при необходимости подрегулировать;

• установить предел измерений, превышающий ожидаемое значение интенсивности исследуемого МП.

4. Провести исследования интенсивности МП электроприбо­ра, для чего следует:

5. поднести стержень измерительного щупа к электроприбо­ру и,удаляя щуп от прибора определить расстояние, на котором величина индукции практически падает до 0;

6. зарисовать картограмму измерений – наметить по 4 – 5 точек в различных направлениях между корпусом прибора и точкой с нулевым значением индукции;

7. в каждом положении произвести не менее 10 отсчётов по шкале прибора;

8. занести измеренное значение интенсивности МП Пи в табл. 3.3.

9. Выключить электроприбор и отключите его от сети элек­тропитания;

10. Последовательно повторить действия п.4 с другими ис­следуемыми электроприборами.

Таблица 3.3