Hallotrony, termistory, układy scalone

Transkrypt

1 Hallotrony, termistory, układy scalone

2 Hallotrony Hallotronem nazywamy przyrząd półprzewodnikowy wykorzystujący zjawisko galwanomagnetyczne Halla. Stałe pole magnetyczne nie ma Ŝadnego wpływu na nieruchome nośniki prądu, jak elektrony swobodne i dziury. Przy przepływie nośników w polu magnetycznym nawet przy jednakowej liczbie diur i elektronów biorących udział w przewodzeniu, na skutek róŝnej ruchliwości tych nośników, między przeciwległymi ściankami bocznymi płytki powstaje róŝnica potencjałów U H. W przypadku przewagi koncentracji nośników jednego znaku róŝnica potencjałów będzie większa, a znak tej róŝnicy będzie zaleŝał od rodzaju nośników większościowych w tym obszarze. Napięcie U H zwane napięciem Halla jest proporcjonalne do prądu płynącego przez płytkę I (zwanego prądem sterującym) i indukcji magnetycznej B z gdzie: γ - czułość U H = γib z Napięcie Halla zaleŝy od właściwości uŝytego materiału, grubości płytki, prądu i natęŝenia pola magnetycznego. W celu zwiększenia wartości sygnału bardzo korzystne jest zastosowanie elementów hallotronowych o małej grubości. Szczególnie przydatne do tego są cienkowarstwowe hallotrony naparowywane na płytkach podłoŝowych lub bezpośrednio na ferryt, działające w tym przypadku jako koncentrator pola.

3 Napięcie wyjściowe nie zaleŝy od zmiany strumienia magnetycznego, lecz od jego wartości. Zjawisko Halla jest znane od przeszło 100 lat, ale wykorzystanie tego zjawiska stało się moŝliwe po opracowaniu technologii takich materiałów, w których występuje ono w silnym stopniu (o duŝej czułości γ), a więc półprzewodników o duŝych wartościach ruchliwości nośników ładunku. Hallotrony wykonuje się z arsenku i antymonu indu oraz roztworów stałych tellurku rtęci i kadmu. Hallotrony są stosowane w miernictwie do pomiaru pola magnetycznego (gdzie oprócz czułości, bardzo istotnymi parametrami są: liniowość, współczynniki temperaturowe, stałość parametrów w czasie) oraz do automatyki i kontroli (gdzie najwaŝniejsza jest czułość) Cenna zaletą jest to, Ŝe hallotrony nie zniekształcają badanego pola magnetycznego. Poza tym są stosowane do pomiaru silnych prądów (powyŝej 5kA) stałych, zmiennych i impulsowych (bez przerywania obwodu). Pomiary te polegają na mierzeniu pola magnetycznego, wytworzonego przez płynący w obwodzie prąd. W automatyce hallotrony są stosowane jako przekaźniki bezstykowe. Wykorzystywane są równieŝ w głowicach magnetycznych do odczytu sygnałów bardzo małej częstotliwości. Typowe konstrukcje hallotronów Coraz większy zakres zastosowań hallotronów doprowadził do duŝego zróŝnicowania ich konstrukcji. Dlatego projektując hallotron musimy brać pod uwagę rodzaj zastosowania naszego przyrządu, gdyŝ przeznaczenie elementu często narzuca nam typ rozwiązania konstrukcyjnego. Konstrukcje podzespołów wykorzystujących hallotrony moŝna sklasyfikować w następujący sposób: 1. Hallotrony - hallotrony jako elementy składowe wykorzystywane do bardziej złoŝonych układów (półfabrykaty). 2. Podzespoły I rodzaju - tj. urządzenia pomiarowe wbudowane w specjalne niemagnetyczne konstrukcje, np.: sondy teslomierzy, sondy jarzmowe. 3. Podzespoły II rodzaju - tj. hallotrony wbudowane w magnetowód. Typowe hallotrony z materiałów litych są najczęściej wykonywane w obudowie z Ŝywicy syntetycznej lub w obudowie z ceramiki. Hallotrony wykonane z wykorzystaniem technologii epitaksji lub dyfuzji całkowicie techniką epiplanarną mogą być umieszczane w obudowie ceramicznej lub w obudowach stosowanych w układach scalonych.

4 Zastosowania hallotronów Zjawiska galwanometryczne znalazły szerokie zastosowania w technice. Przede wszystkim tam gdzie mamy do czynienia z ruchem części mechanicznych, przepływem duŝych prądów czy koniecznością bezstykowego łączenia. Typowym zastosowaniem hallotronów są: 1. Pomiary pola magnetycznego i wielkości elektrycznych - natęŝenie prądu, - moc prądu stałego, - rezystancję, - konduktancję. 2. Pomiary wielkości nieelektrycznych (mikrosystemy): - wykrywanie ruchu liniowego i obrotowego, - pomiary prędkości obrotowej, przesunięć, - drgań mechanicznych, - długości. 3. Urządzenia do automatycznej kontroli, sygnalizacji i sterowania: - łączniki bezstykowe, - sterowanie czasowe zapłonem w samochodach, - sygnalizacja pozycji, - silniki bezkontaktowe. Termistory Termistor to opornik półprzewodnikowy, którego rezystancja (opór) zaleŝy od temperatury. Wykonuje się je z tlenków: manganu, niklu, kobaltu, miedzi, glinu, wanadu i litu. Od rodzaju i proporcji uŝytych tlenków zaleŝą właściwości termistora. Termistory są to półprzewodnikowe przyrządy bez złączowe, charakteryzujące się duŝymi zmianami rezystancji w zaleŝności od zmian temperatury (mają one duŝy współczynnik temperaturowy α). Rozwój produkcji termistorów przypada na okres drugiej wojny światowej, a szybki ich rozwój rozpoczął sie w latach 60 - tych i 70 - tych. Działanie termistora jako elementu półprzewodnikowego polega na tym, Ŝe przy wzroście temperatury zwiększa się w nim liczba elektronów swobodnych. NaleŜy przypomnieć, Ŝe współczynnik temperaturowy rezystancji metali jest dodatni, a jego wartość bezwzględna jest znacznie mniejsza niŝ termistorów. Na przykład dwukrotny wzrost rezystancji platyny wymaga ogrzania jej o 300 C, a dwukrotny wzrost konduktancji termistorów wymaga ogrzania tylko o 20 C Rodzaje termistorów: NTC - o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. negative temperature coefficient) - wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji; PTC - o dodatnim współczynniku temperaturowym (ang. positive temperature coefficient), tak zwany pozystor - wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji;

5 CTR - o skokowej zmianie rezystancji - wzrost temperatury powyŝej określonej powoduje gwałtowny wzrost rezystancji (bezpieczniki polimerowe) Parametry: R - rezystancja nominalna, znormalizowana podawana jest zazwyczaj w temperaturze 25oC jako R25 a - TWR - Temperaturowy Współczynnik Rezystancji (dla termistorów typu CTR podaje się temperaturę krytyczną) P - dopuszczalna moc B - stała materiałowa [wyraŝona zwykle w kk ] tolerancja, w zaleŝności od rodzaju wykonania termistora Budowa termistora: Zbudowane z polikrystalicznych półprzewodników, które stanowią mieszaniny związków chromu, manganu, Ŝelaza, kobaltu, niklu i miedzi. Są zmieszane z plastycznym środkiem wiąŝącym. rys. Charakterystyka napięciowo - prądowa termistora. 1 - Termistor NTC, 2 - Termistor PTC, 3 - Termistor CTR Termistory moŝna podzielić na dwie grupy: termistory o ogrzewaniu bezposrednim prądem przepływającym przez element półprzewodnikowy i termistory o ogrzewaniu pośrednim Termistory są wykorzystywane do pomiaru temperatury; są one duŝo bardziej czułe niŝ termometry z czujnikiem oporowym poza tym wyróŝniają się bardzo małymi wymiarami (np. kulka o średnicy 1mm). W termistorowych układach regulacji i stabilizacji temperatury, uzyskuje sie ponadto duŝą czułość przy jednoczesnej prostocie układu.

6 Elektroniczne układy scalone Monolityczny układ scalony jest układem elektronicznym, którego elementy czynne i bierne oraz połączenia między nimi i obszary izolujące są wytworzone w monokrystalicznej płytce półprzewodnika w wyniku złoŝonych procesów fizykochemicznych. Układy scalone odznaczają się nie tylko największą miniaturyzacją, lecz równieŝ największą niezawodnością. Spełniając w urządzeniu określone funkcje elektroniczne, wchodzą one w skład bardziej złoŝonych systemów. ZaleŜnie od liczby scalonych w jednej płytce elementów wyróŝnia się układy scalone małej, średniej i wielkiej skali integracji. U podstaw rozwoju monolitycznych układów scalonych legły potrzeby zmniejszenia wymiarów oraz masy urządzeń uŝywanych głównie w sprzęcie przenośnym i przewoźnym oraz w urządzeniach zbudowanych z bardzo wielkiej liczby elementów. Wkrótce jednak okazało się, Ŝe miniaturyzacja staje się koniecznością nie tylko ze względu na potrzeby zmniejszenia masy i wymiarów, lecz równieŝ ze względu na szybkość działania urządzeń. Nowoczesne maszyny matematyczne wymagają, juŝ obecnie, czasów przełączania mniejszych niŝ 1 ns. Wynika z tego konieczność skrócenia dróg przesyłania sygnałów tak dalece, aby opóźnienie sygnału wywołane pokonywaniem odległości było dostatecznie małe w porównaniu z czasem przełączania elementów układu. Dla ukazania problemu warto tu podać, Ŝe sygnał elektromagnetyczny w ciągu 1 ns pokonuje drogę równą około 0,3 m. W monolitycznych układach scalonych moŝna wyodrębnić obszar funkcjonalny odpowiedzialny za realizację określonej funkcji elektrycznej, końcówki montaŝowe oraz podłoŝe dla obszaru funkcjonalnego i obudowę zabezpieczającą przed wpływami środowiska. Obszary funkcjonalne wykonuje się na półprzewodnikowej monokrystalicznej płytce. W obszarach funkcjonalnych podstawowym elementem są złącza PN uzyskiwane przed odpowiednie selektywne domieszkowanie podstawowej płytki półprzewodnika. Złącza te są wykorzystywane zarówno do wytwarzania elementów czynnych, jak i niektórych elementów biernych układu. Prócz tego wytwarza się na takiej płytce obszary izolujące, połączenia wewnętrzne między elementami i odprowadzenia zewnętrzne. Spośród wielu materiałów półprzewodnikowych do budowy układów scalonych stosuje się głównie krzem i german. Materiały te róŝnią się między sobą parametrami elektrycznymi i z tego punktu widzenia moŝna tu ocenić ich przydatność. Analiza właściwości elektrycznych wypada na korzyść krzemu, gdy zaleŝy nam na moŝliwie duŝej koncentracji elementów w układach monolitycznych. Proces wytwarzania monolitycznych półprzewodnikowych układów scalonych dzieli się na następujące kolejne etapy organizacyjne i technologiczne: przygotowanie monokrystalicznych płytek podłoŝowych, wytworzenie struktur elementów czynnych i biernych na płytkach półprzewodnikowych, wytworzenie połączeń wewnętrznych i kontaktów (punktów styczności), dzielenie płytek, montaŝ i wykonanie doprowadzeń zewnętrznych, hermetyzacja układów. W produkcji układów scalonych są wykorzystywane róŝne procesy fizyczne i chemiczne: oczyszczanie i monokrystalizacja materiałów półprzewodnikowych, wykonywanie warstw epitaksjalnych, wytwarzanie warstw dielektrycznych, fotolitografia, domieszkowanie, napylanie warstw metalicznych, łączenie termokompresyjne i ultrakompresyjne, hermetyzacja układów.

7 Literatura: Strona www Elektronika analogowa R.Jaroszewski Termistor i warystor M.Pluciński Podstawy metrologii elektrycznej S.Okoniewski Technologia dla elektroników