Was sind Magnetdioden und wo werden sie eingesetzt?

Eine Magnetodiode ist eine Art Halbleiterdiode, deren Strom-Spannungs-Kennlinie sich unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändern kann.

Normal Halbleiterdiode hat eine dünne Basis, so dass das Magnetfeld seine Strom-Spannungs-Kennlinie leicht verändert. Magnetodioden hingegen zeichnen sich durch eine dicke (lange) Basis aus, bei der die Weglänge für den Strom die Verlustlänge der in die Basis injizierten Ladungsträger deutlich übersteigt.

Die herkömmliche Dicke der Basis beträgt nur wenige Millimeter und ihr Widerstand ist vergleichbar mit dem direkten Widerstand p-n-Übergang… Mit zunehmender Induktion des durch ihn gerichteten Magnetfeldes erhöht sich der Widerstand des Sockels deutlich, ähnlich dem eines Magnetowiderstands.

In diesem Fall erhöht sich auch der Gesamtwiderstand der Diode und der Durchlassstrom nimmt ab.Dieses Stromreduzierungsphänomen ist auch auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Spannung umverteilt wird, wenn der Basiswiderstand größer wird, der Spannungsabfall an der Basis zunimmt und der Spannungsabfall am pn-Übergang abnimmt und der Strom entsprechend abnimmt.

Die Wirkung der Magnetodiode kann quantitativ untersucht werden, indem die Strom-Spannungs-Kennlinie der Magnetodiode betrachtet wird, die in der Abbildung dargestellt ist. Hier ist ersichtlich, dass mit zunehmender magnetischer Induktion der Durchlassstrom abnimmt.

Tatsache ist, dass sich die Magnetodiode von gewöhnlichen Halbleiterdioden dadurch unterscheidet, dass sie aus einem Halbleiter mit hohem Widerstand besteht, dessen Leitfähigkeit nahe an ihrer eigenen liegt und die Länge der Basis d um ein Vielfaches größer ist als die Abweichungslänge von der diffuse Träger L. Während bei gewöhnlichen Dioden d kleiner als L ist.

Beachten Sie, dass Magnetdioden im Gegensatz zu klassischen Dioden durch einen größeren Durchlassspannungsabfall gekennzeichnet sind, was genau auf den erhöhten Widerstand der Basis zurückzuführen ist. Mit anderen Worten ist eine Magnetodiode ein Halbleiterbauelement mit einem pn-Übergang und nicht gleichrichtenden Kontakten, zwischen denen sich ein Halbleiterbereich mit hohem Widerstand befindet.

Magnetdioden bestehen aus Halbleitern nicht nur mit hohem Widerstand, sondern auch mit größtmöglicher Beweglichkeit der Ladungsträger. Oft ist die Struktur der p-i-n-Magnetodiode, während der Bereich i länglich ist und einen erheblichen Widerstand aufweist, genau darin ein ausgeprägter magnetoresistiver Effekt zu beobachten. In diesem Fall ist die Empfindlichkeit von Magnetdioden gegenüber Änderungen der magnetischen Induktion höher als die von Hall-Sensoren aus dem gleichen Material.

Beispielsweise beträgt der Spannungsabfall an der Diode für KD301V-Magnetodioden bei B = 0 und I = 3 mA 10 V und bei B = 0,4 T und I = 3 mA etwa 32 V. In Vorwärtsrichtung bei hohen Injektionspegeln , die Leitung der Magnetodiode wird durch in die Basis injizierte Nichtgleichgewichtsträger bestimmt.

Der Spannungsabfall tritt hauptsächlich nicht wie bei einer herkömmlichen Diode am pn-Übergang auf, sondern an einer Basis mit hohem Widerstand. Wird die stromdurchflossene Magnetdiode in ein transversales Magnetfeld B gebracht, so erhöht sich der Basiswiderstand. Dadurch verringert sich der Strom durch die Magnetdiode.

Bei „langen“ Dioden (d/L > 1, wobei d die Länge der Basis ist, L die effektive Länge der Diffusionsvorspannung ist) wird die Trägerverteilung und damit der Widerstand der Diode (Basis) genau durch die bestimmt Länge L.

Eine Abnahme von L führt zu einer Abnahme der Konzentration von Nichtgleichgewichtsträgern in der Base, also zu einer Erhöhung ihres Widerstands. Dies führt, wie oben erwähnt, dazu, dass der Basisspannungsabfall zunimmt und der p-n-Übergang abnimmt (bei U = const). Die Abnahme des Spannungsabfalls über dem p-n-Übergang führt zu einer Verringerung des Injektionsstroms und damit zu einem weiteren Anstieg des Basiswiderstands.

Die Länge L kann durch Anlegen eines Magnetfeldes an die Diode verändert werden. Ein solcher Effekt führt praktisch zu einer Verdrehung der bewegten Ladungsträger und ihre Beweglichkeit nimmt ab, daher nimmt auch L unverändert ab. Gleichzeitig werden die Stromleitungen verlängert, d. h. die effektive Dicke der Basis nimmt zu. Dies ist der Massenmagnetdiodeneffekt.

Magnetdioden werden vielfältig und vielfältig eingesetzt: berührungslose Tasten und Tasten, Sensoren für die Position bewegter Körper, magnetisches Lesen von Informationen, Steuerung und Messung nichtelektrischer Größen, Magnetfeldwandler und Winkelwandler.

Magnetdioden finden sich in kontaktlosen Relais, Magnetdioden in Schaltkreisen ersetzen die Kollektoren von Gleichstrommotoren. Es gibt AC- und DC-Magnetdiodenverstärker, bei denen der Eingang eine elektromagnetische Spule ist, die die Magnetdiode antreibt, und der Ausgang die Diodenschaltung selbst ist. Bei Strömen bis zu 10 A können Gewinne in der Größenordnung von 100 erzielt werden.

Die heimische Industrie produziert verschiedene Arten von Magnetodioden. Ihre Empfindlichkeit variiert zwischen 10-9 und 10-2 A/m. Es gibt auch Magnetodioden, die nicht nur die Stärke des Magnetfeldes, sondern auch seine Richtung bestimmen können.

Aus dem Vorstehenden geht klar hervor, dass die Verwendung von Magnetdioden eine Quelle mit konstantem oder variablem Magnetfeld erfordert. Als solche Quelle können Permanentmagnete oder Elektromagnete verwendet werden. Die Magnetdioden müssen so eingebaut werden, dass die magnetischen Feldlinien senkrecht zu den Seitenflächen der Halbleiterstruktur stehen.

Der Betrieb von Magnetdioden ist bei Reihenschaltung zulässig. Wenn es notwendig ist, die Magnetdioden bei einer relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebung von bis zu 98 % und einer Temperatur von 40 °C zu betreiben, wird eine zusätzliche Versiegelung mit Verbindungen auf Epoxidharzbasis empfohlen.