Hallotrony, termistory, układy scalone

Hall
Hallotrony, termistory,
układy
uk ady scalone
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 UH. 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 UH zwane
napięciem Halla jest proporcjonalne do prądu płynącego przez płytkę I (zwanego prądem
sterującym) i indukcji magnetycznej Bz
UH = γIBz
gdzie: γ - czułość
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.
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.
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;
•
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.
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.
Literatura:
•
Strona www „Elektronika analogowa”
•
R.Jaroszewski „Termistor i warystor”
•
M.Pluciński „Podstawy metrologii elektrycznej”
•
S.Okoniewski „Technologia dla elektroników”