傳感器原理與應用主編戴焯磁電傳感器

1、第七章磁電傳感器磁電傳感器可分為兩大類，一類是基于鐵芯線圈電磁 感應原理的磁電感應式傳感器，一類是基于半導體材料磁 敏效應的磁敏傳感器。本章將介紹目前常見的幾種半導體 材料磁敏效應器件及其傳感器，即霍爾元件、磁敏電阻、 磁敏二極管及磁敏三極管。第一節(jié)霍爾傳感器霍爾是美國的一位物理學家，他在1879年首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應，但由于金屬材料的霍爾效應太弱 而沒有得到應用，后來人們發(fā)現(xiàn)某些半導體材料的霍爾效 應十分顯著，因而制成相應的霍爾元件，廣泛用于電磁測 量、計數器、轉速計、位移及無觸點開關等。一、霍爾效應如圖7 1所示，在（金屬）半導體薄片上垂直施加磁場B,在薄片兩短邊b方向通入控制電

2、流I,則在薄片兩長 邊L方向產生電動勢，這種現(xiàn)象稱之為霍爾效應，該電動勢稱為霍爾電壓妬，該半導體薄片稱為霍爾元件。圖7 1霍爾效應原理圖圖71中，卩表示半導體中電子在控制電流I作用下的運動方向和速度，竝表示電子受到磁場的洛倫茲力， 其大小為(7-1)式中g為電子的電荷量，竝方向符合左手掌定則， 運動電子在洛倫茲力竝的作用下，電子以拋物線形式向 一側運動，致使在霍爾元件的兩長邊積累起等量的正、負 電荷，形成霍爾電場，該電場對隨后的電子施加一電場力Fe禺表示該霍爾電場的電場力；當霍爾電場力倫與洛倫茲力竝相等時，電荷積累達到動態(tài)平衡。FE=qEH=Uh / bFL=qvB = -FE=-qUh/bI

3、=-nqvbd霍爾電壓均的大小為UhRh(L、(7 2)式中Rh霍爾常數(nP/c)霍爾元件形狀系數d 一霍爾元件厚度(m)L 霍爾元件長度(m)b 霍爾元件寬度(m)/一控制電流(A)B 磁感應強度(特斯拉T,即Wb/m2)令,稱之為霍爾元件靈敏度,則(7-2)改寫為(7-3)uh=khib可見，當霍爾元件的半導體材料性能及幾何尺寸確 定后，霍爾元件的輸出電壓均正比于控制電流Z和磁感 應強度0。霍爾元件的基本特性霍爾元件是由具有霍爾效應的半導體薄片、電極引線及殼體組成，其電路符號如圖7 2所示。圖中兩短邊引 線通入控制電流，兩長邊引線輸出霍爾電壓；霍爾元件的 殼體由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂

4、封裝而成。圖7 2霍爾元件電路符號由式(7-2)可知，要使霍爾元件有較高的靈敏度,必須要求霍爾元件材料有較大的霍爾常數。霍爾常數倚 等于材料的電阻率與電子遷移率的乘積，金屬材料電子遷 移率大，但電阻率很??；絕絕材料電阻率極高，但載流子 遷移率極低；只有半導體材料適于作霍爾元件，其電阻率 和載流子的遷移率都比較大。目前常用的半導體材料有硅、 錯、伊化鋼和碑化鋼等，這些材料不但有較大的霍爾常數, 而且有較好的線性度。林料禁帶寬度占/eV電陽率廠(0 cm)電子遷移率/(cnr?/(V S)霍爾系數/<i/(cni3/C) - Ge0.661.03500<1250-Si1J071.515

5、002250InSb0.170.00560 000-380 "In As0.370.003525 000115InAsP' 0.630.08 -J10 500- -850GaAs1. 1710.7885006350(b) (c) s 西 6二 nsmas雷Q)鼠三二6)益(2)2)s(三ss(2)由這些半導體材料制成的霍爾元件在應用時都具有如下幾個基本特性OI. 牯Z特性當婦和為定值時，在一定的溫度下，霍爾電壓切 與控制電流Z有較好的線性關系，此時/對血有較高的 靈敏度。利用這一特性，霍爾元件可直接用于測量電流或 激勵源電壓，也可以用于測量能轉換為電流的其他物理量2. 比B特

6、性當Kh黏 為定值時，霍爾電壓給與磁場於具有單值 關系，在磁不飽和時（一般B小于0. 5T）念與B具有線 性關系。利用這一特性，霍爾元件可用于測量交、直流磁 感應強度或磁場強度；若為一個均勻梯度的磁場，則霍 爾電壓乞取決于霍爾元件在磁場中的位置，從而實現(xiàn)微 位移及可轉換為微位移的壓力、加速度、振動等非電量的 測量。3. Ur IB 特性利I用缶與羽的乘積關系，霍爾元件可作成乘法器， 當控制電流Z和磁場為同一電源激勵時，可利用霍爾元 件進行電源輸出功率的測量。4. 開關特性霍爾元件霍爾效應的建立時間極短(10-1210T4S),適宜于作高頻信號的檢測或無觸點開關，利用這一特性，霍爾元件可用于制作

7、計數器或轉速計。5 集成特性蠢爾元件具有結構簡單、體積小、無活動部件，便于 與測量電路一起作成集成霍爾傳感器。三、測量電路霍爾元件基本測量電路如圖74所示?；魻栯妷呵?一般為毫伏數量級，因而實際應用時霍爾效應輸出電壓均 要接差動放大器；根據霍爾元件工作條件不同，霍爾電壓 可以是線性量或開關量，因而其測量電路可能是線性型或開關型。(a)線性型圖7-4(b)開關型霍爾元件測量電路用-個運算放大器的差動放大器；(I)用三個運算放大器的差動放大器TLO84圖6.10崔爾傳感器的輸出為交流時的放大四、誤差及其補償1. 零位誤差及其補償霍爾元件在控制電流F0或磁場畢0時出現(xiàn)的霍爾電 壓血，稱之為零位誤差。

8、引起零位誤差的原因主要有 如下三個因素。(1) 粵流寄生電勢施件控制電流或霍爾電壓兩引線電極焊點大小不 曹訂熱令量不同,或接竈不良、歐姆電阻大小不等，因而 121212°驚翹慰會構上的對稱性保持電極 引線接觸良好，且散熱條件相同，可以減小這種直流寄生 電勢。(2) 寄生感應電勢當控制電詼/為交變電流時，此電流形成的交變磁場 在電極引線上要產生寄生感應電勢。為了減小寄生感應電 勢,要求各電極引線盡可能短,且布線合理以減少磁交鏈。（3）不等位電勢（零位誤差的主要原因）霍爾元件控制電流Z和霍爾電壓均的四電極分布不 對稱而引起的寄生不等位電勢。如圖75所示，當各電極 a、b、c、對稱分布時，

9、各電極之間的電阻巧、勺、片3、 為相等，此時電阻橋平衡，寄生霍爾電壓5= 0。當各 電極分布不對稱時，兩個霍爾電極不在一個等位面上，電 阻橋失去平衡，故產生不等位寄生電勢。圖75霍爾元件不等位電勢原理圖 a）不對稱電極（b）電極等效電橋不等位電勢是產生零位誤差的主要原因，其大小通常具有霍爾電壓均相同的數量級，目前在工藝上很難保 證電極分布的對稱性，因而必須采取電路補償的方法以消 除不等位電勢。圖7 6給出了兩種補償電路，圖中(a) 是電阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，圖中(b)是在兩相鄰橋臂上并聯(lián)電阻，以增加電極等效電橋的對稱性。圖7 6不等位電勢補償電路0Rt_R0 o0Rt_oO圖10-4不等位

10、電勢的補償電路2. 溫度誤差及其補償霍爾元件在實際應用時，存在多種因素影響其測量精度，造 成測量誤差的主要因素有兩類：半導體的固有特性；半導體制造工 藝缺陷。其主要表現(xiàn)形式為溫度誤差和零位誤差。一般來說，溫度 升高半導體材料的電阻率（下降）和遷移率（下降）載流子濃度 （增加）陽下降，霍爾元件中常用的幾種材料，硅比錯溫度系數小 一些，梯化鋼對溫度最敏感，但其霍爾常數大，碑化鋼溫度系數最 小，但其霍爾常數小。不同材料的霍爾元件都具有一定的溫度系數, 致使霍爾電壓儷溫度而變化，產生溫度誤差。為了減小溫度誤差, 除了選擇溫度系數小的霍爾元件或采取恒溫措施外，通?？刹捎脠D 77所示恒流源控制電路補償方法

11、。1 6圖7-7 溫度補償電路在圖7-7電路中，電流Z為恒定電流，不受溫度影響;電阻與為霍爾元件等效輸入電阻，并聯(lián)與為外接補償電阻，4具有如兀相同的正溫度系數，此時霍爾元件的控制電流rTrH + rT基本不變。B-霍爾器件內阻溫度系數a-霍爾電勢溫度系數（查元 rt rttl 4、 n電橋補償電路。RP用于調節(jié)補償不等位電勢。在霍爾 元件輸出回路串接一個溫度補償電橋，橋臂上R1-R4 均為等值的猛銅電阻，其中一個橋臂電阻并聯(lián)熱敏電阻 Rto當溫度變化時，&阻值隨之變化，使補償電橋的輸 出電壓相應變化。只要精心調整補償電橋的溫度系數， 便可以做到一定溫度范圍內一40+40,在1、2兩 點

12、間的霍爾電勢與溫度基本無關。圖10-6 霍爾器件溫度補償電路原理圖五、集成霍爾傳感器隨著硅集成電路工藝日趨完善，可以把霍爾元件和測量電路集成在一起而組成集成霍爾傳感器。目前已研制 出多種集成霍爾傳感器，按其功能不同可分為兩大類，即 開關型集成霍爾傳感器和線性型集成霍爾傳感器。1. 開關型集成霍爾傳感器（控制電路）開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出電壓經 電路處理后形成一個高電平或低電平的開關量輸出，集成 電路主要由霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器等部分組成，如圖78所示。cc穩(wěn)壓施特發(fā)密觸器O 0UT1O 0UT2圖7 8開關型集成霍爾傳感器原理框圖霍爾元件一般由平面型硅霍爾元件組成，在

13、0. 1T磁場 作用下，其開路輸出電壓約20mV,接負載后不低于10mVo 由于霍爾元件輸出電壓隨溫度上升而下降，因而通常選用 具有負溫度系數二極管與霍爾元件串聯(lián)，溫度上升使串聯(lián) 二極管正向壓降下降，從而補償霍爾輸出電壓。UoUOLUoh差分放大器采取雙端輸入、雙端輸出工作方式，將霍 爾輸出電壓放大幾十倍；其共模反饋電阻進一步消除溫度 對輸出電壓的影響，增強抗干擾能力。施密特觸發(fā)器將差分放大器輸出電壓整形為矩形脈沖, 并利用整形中的回差進一步提高抗干擾能力。整形后輸出 的矩形脈沖經倒相后加至輸出級，使輸出電平與磁感應強 度之間的關系如圖79所示。開關型集成霍爾傳感 器輸出電平具有遲滯現(xiàn)象, 其

14、回差寬度 B=B廠B" AB越小，電平轉參靈敏 度就越高；反之，A於越 大，輸出電平抗干擾能力 越強。2. 線性型集成霍爾傳感器(測量電路)線性型集成霍爾傳感器的輸出電壓與外加磁感應強度 之間呈線性比例關系、集成電路主要由霍爾元件和差分放 大器組成，差分放大器有單端輸出和雙端輸出兩種形式， 如圖7 10所示。圖7 10線性型集成霍爾傳感器原理框圖(a)單端輸岀(b)雙端輸岀差分放大器通常為兩級差分放大電路，第二級差分 放大采用達林頓管，全電路的增益可達1000倍，因而靈敏 度大大提高；在磁不飽和的情況下，輸出電壓與磁感應強 度有很好的線性關系。這種電路內部一般都沒有電源調整 電路和附

15、加溫度補償電路，應用時最好外加穩(wěn)壓電路及溫 度補償措施。六、霍爾傳感器的應用霍爾傳感器由于結構簡單、體積小、動態(tài)特性好、工 作壽命長等特點，因而在許多領域得到廣泛應用。1.高斯計如圖7 11所示，將霍爾元件垂直置于磁場於中，輸入恒定的控制電流厶則霍爾輸出電壓均正比于磁感應強 度B,用此方法可以測量恒定或交變磁場的高斯數。圖7 11高斯計原理圖（測恒定、交變磁場）圖7 12電流計原理圖2.電流計如圖7 12所示，將霍爾元件垂直置于磁環(huán)開口氣隙 中，讓載流導體穿過磁環(huán)，由于磁環(huán)氣隙的磁感應強度 與待測電流7成正比，當霍爾元件控制電流婦一定時，霍 爾輸出電壓均則正比于待測電流7,這種非接觸檢測安全

16、簡便，適用于高壓線電流檢測。B=f（X） UH= Kh Lf（I）小磁鐵H UAn尸、轉軸3. 轉速計如圖713所示，將霍爾元件移置旋轉盤下邊，讓轉 盤上小磁鐵形成的磁力線垂直穿過霍爾元件；當控制電流 Z 定時，霍爾輸出電壓均決定于小磁鐵的磁場。由于小磁鐵固定在旋 轉盤上，當旋轉盤隨轉軸 轉動時，霍爾元件上獲得 周期變化的磁脈沖，因而 產生相應的霍爾脈沖電壓， 此脈沖電壓單位時間內的 個數，正比于轉軸的旋轉 速度，從而實現(xiàn)轉速的檢 測；轉盤上磁鐵對數越多， 傳感器測速的分辨率越高。轉盤圖7 13轉速計原理圖（周期脈沖）4. 霍爾開關圖7 14是一個開門報警器電路?；魻栭_關不但動態(tài)特性好，而且環(huán)

17、境適應性好，既無 機械磨損，又無觸點燒蝕缺陷，因而在自動控制及報警器 電路中得到廣泛應用。os5g12k0.1 uF2 6 7 3SSOTL 18 4 55.1Ml.OuF壓 -$ LLTIL220520 Q使用開門報警器時，TL3019霍爾傳感器裝在門框上, 磁鐵裝在門板上，門關閉時TL3019輸出保持低電平；門打 開時TL3019輸出電平由低變高，此正脈沖經0.1 nF電容延 時后加到TLC555單穩(wěn)態(tài)定時器的控制端5和復位端4上，起 動定時器循環(huán)控制，使發(fā)光管TIL220發(fā)光、壓電報警器發(fā) 聲，形成聲、光報警。圖中定時器引腳6和7接l.OuF電容 和5.1MQ電阻，決定TLC555的臉時

18、間常數，即決定聲、 光報警器發(fā)出聲、光時間的長短（約5秒）。U © 2001 National Geographic Society. All rights resetved.nationalgeogra 第二節(jié)磁敏電阻磁敏電阻系指利用半導體磁阻效應研制而成的對磁場 敏感的元件。如同電阻一樣，磁敏電阻也只有兩個端子、 結構簡單，安裝方便，因而獲得多方面應用。一、磁阻效應某些半導體材料在磁場作用下，不但產生霍爾效應， 而且其電阻值也隨磁場變化，這種現(xiàn)象稱之為磁阻效應。 引起電阻變化的原因有二，其一是材料的電阻率隨磁場增 加而增加，稱為磁阻率效應；其二是在磁場作用下，通過 磁敏電阻電流的

19、路徑變長，如圖7-15所示，因而電極間 電阻值增加，這種現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應。目前實用的磁 阻元件主要是利用半導體的幾何磁阻效應。圖7 15幾何磁阻效應示意圖(a) L/W<1(b) L/W>1(c)柯比諾元件半導體材料的幾何磁阻效應與材料的幾何形狀和尺寸有關，如圖7 16所示。由于柯比諾元件為盤形元件,其兩電極為圓盤中心和圓周邊，電流在兩電極間流動時， 受磁場影響而呈渦旋形流動，霍爾電場無法建立，因而柯 比諾元件可以獲得最大磁阻效應，但其電阻值太小實用價 值不大。將長方形磁阻元件的L/W比值減小，磁阻效應Rr/R。也相應增大，但零磁場下的電阻值R。也要變小o圖7 16幾何形狀與磁

20、阻變化特性為了獲得較大的磁阻效應而又有足夠大的Ro,實際上 采用L/WV1的多個元件串聯(lián)，如圖7 17所示平面電極磁敏電阻。圖7 17平面電極磁敏電阻平面電極磁敏電阻通常是在窗化鋼(InSb)半導體薄片上， 用光刻的方法制作多個平行等間距的金屬條構成柵格，這相當于多 個L/WV1的長方形InSb薄片磁阻元件串聯(lián)，增加了零磁場電阻R。，片 與片之間為金屬導體，把霍爾電壓短路，不能形成電場力，電子運 動方向總是斜的，電阻增加的很多，即可以獲得較高的磁阻效應。Hl' I.k /IJf/f l/ _!陽km不rem刪鍬翊示鶻溫度影響較大。為了改善磁阻溫度特性,方法之一是在InSb晶體中摻入一定

21、量的佛化BNiSb,形成溫度補償功能，而且使靈敏度3磁阻溫度系數磁阻溫度系數是指溫度每變化1°C,磁敏電阻的相對 變化量。磁阻元件一般都是用半導體InSb制作，其磁阻受InSb-NiSb共晶磁阻元件，但摻 雜后將導致磁阻靈敏度下降； 方法之二是采用兩個磁阻元件 串聯(lián)，組成差動式輸出，如圖719所示，這種方法不但具有圖7 19兩磁阻元件串聯(lián) 三端差分型InSb電阻得到提高。三、磁敏電阻的應用面。感器。磁力線方向X圖720磁敏電阻測直線位移利用磁敏電阻的磁阻特性，可以應用于無觸點電位差 計、直線位移傳感器、轉速計、非接觸電流監(jiān)視電路等方 圖7-20是利用三 端差動輸出式InSb磁敏 電阻

22、構成的直線位移傳H初態(tài)時，將磁鐵置于InSb平面電極磁敏電阻中間位置,磁場與InSb受磁平面垂直，此時輸出電壓為；位移時, 磁鐵沿平面方向X直線左右平移，此時輸出電壓的變化 量給與直線位移量成正比。利用這種原理可以檢測微位 移或與微位移有關的其它非電量。圖7-21是由磁敏電阻構成的磁卡讀出器原理電路。 圖中磁敏電阻MSF06本身帶有永久磁鐵，兩磁阻元件地 和処接成差動輸出方式，可實現(xiàn)對磁卡弱磁場的檢測。一圖7 21磁卡讀出器原理電路有些磁敏電阻內還設置有放大、整形電路，其特點不 但信噪比高，而且頻率特性好，可用于磁性體旋轉位置及 速度的檢測，以及帶有磁性墨水印刷的印刷物檢測或真假 紙幣的判別。

23、磁鐵S N圖6. 31 InSb電阻無觸點開關磁阻式旋轉傳感器以饌妙發(fā)性齒軸、齒輪的轉速若釆用 黑芻囂讎蠡備斜旋轉方向。釆用雙元件磁阻MJ傳感器呂o電源圖9-49旋轉傳感器的工作原理磁性體齒輪輸山電壓當齒輪的齒頂對準MR-而齒根對準MR?時，MR】的電阻 增加，MR?不變，U0<Uin/2；當齒輪的齒頂對準MR?, 而齒根對準MR】時，U°>Uin/2；當齒頂（或齒根）在 MR】和MR?之間時，UoUin/2,輸出電壓波形見圖。第三節(jié)磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管和磁敏三極管是繼霍爾元件和磁阻元件之 后發(fā)展起來的新型半導體磁敏元件。這種磁敏元件具有很 高的磁靈敏度（比霍

24、爾元件高數百至數千倍），可以在較 弱磁場下工作，這是霍爾元件和磁阻元件所不及的。它不 但能檢測磁場的大小和方向，且體積小、測試電路簡單， 特別適合制作漏磁檢測、磁力探傷及無觸點磁敏開關。一、磁敏二極管1.基本結構磁敏二極管是一種PIN型磁敏元件，由硅或錯材料制 成，其結構和電路符號如圖722所示。圖中j區(qū)為本征或接近本征半導體(高阻區(qū)),亦稱 本征區(qū)；在本征區(qū)的兩端用合金法制成重摻雜的P+區(qū)和N- 區(qū)；在本征區(qū)的一側采用雜質擴散法或噴砂法制成載流子 復合速度很高的尸(粗糙)區(qū)，亦稱高復合區(qū)；在高復合 區(qū)相對的另一側厶保持光滑的無復合表面，亦稱光滑面。(a)基本結構圖7 22(b)電路符號磁敏二

25、極管結構和電路符號2.工作原理磁敏二極管是利用磁阻效應進行磁電轉換的。磁敏 二極管工作時需加正向偏壓，即P+區(qū)接正、N-區(qū)接負；此 時磁敏二極管電阻大小決定于磁場的大小和方向。當磁敏 二極管反向偏置時，將呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，且與磁場的作用無 關。圖723表示磁敏二極管在正向偏壓下，載流子受磁 場影響情況。如圖7 23 (a)所示，當磁敏二極管未受到外界磁場作用時，正偏壓使得大多數空穴和電子能夠穿過才區(qū)流 入N-區(qū)和P+區(qū)，形成偏流Z,只有少數電子和空穴在才區(qū) 復合掉。(b)+p+N-/ r(c)圖7 23磁敏二極管載流子受磁場影響(a)無磁場(b)正向磁場(c)反向磁場如圖723 (b)所示，當磁敏

26、二極管受到外界正向磁 場H+0作用時，由正偏壓產生的電子、空穴載流子受到磁 場的洛倫茲力的作用向r區(qū)偏轉，并在r區(qū)迅速復合，致 使/區(qū)載流子濃度減小，于是電阻增加、偏流Z減小。如圖723 (c)所示，當磁敏二極管受到外界反向磁 場H-作用時，電子和空穴受洛倫茲力的作用向£面偏轉, 由于Z面為無復合的光滑面，因而到達光滑面后又反射回 i區(qū)，致使/區(qū)載流子濃度增加，于是電阻減小、偏流Z 增大。由上分析可見，外加磁場的大小和方向的改變，能弓I起磁敏二極管電阻或偏流的改變，因而可以實現(xiàn)磁電轉換(1)伏安特性在給定的磁場下， 磁敏二極管正向偏壓與 偏流的關系被稱為磁敏 二極管的伏安特性。如 圖

27、7 24所示。在同一磁場下，加在磁敏二極管 上的偏壓越大，偏流也 越大；在一定的偏壓范 圍內，伏安特性有近似的線性關系。同時，在正向偏壓一定時，正向 磁場越大、磁阻越大、偏流越?。环聪虼艙P越 大、磁阻越小、偏流越 大。圖7 24磁敏二極管伏安特性(2)磁電特性磁電特性是指磁敏二極管| 輸出電壓變化量與外加磁場的 關系。如圖725所示，單只磁 敏二極管正向磁場下輸出電壓 的靈敏度大于反向磁場下的靈 敏度，且在萬V0.1T期間具有 較好的線性關系，即磁敏二極 管對弱磁場具有較好的磁電特 性和較高的磁靈敏度。若要獲 得更大的線性工作范圍，可釆 用兩管互補使用。硅磁敏二極 管:E=15V,RL=2K；

28、或 E=21V,RL=3KoA17(V)-0.8圖7 25磁敏二極管磁電特性錯磁敏二極管的磁場頻率與輸出電壓的關 系曲線。0.02 0.04 0.200.412 4102040磁場頻韌kHzS10-19錯磁敏二極管的頻率特性4.溫度特性及補償由于磁敏二極管是由錯和硅材料制成，因而溫度對 磁敏二極管性能參數的影響較大，在使用磁敏二極管時, 必須采取相應的溫度補償措施，常用的補償電路如圖7 26所示。>/E 1一=-E,M) 二DUoA0IE(a)4(c)當磁敏二極管單管使用時，可采用與磁敏二極管溫 度特性相同的熱敏電阻串聯(lián)電路補償。如圖7 26 (a)所 示，此時溫度引起熱敏電阻屁和磁敏二

29、極管的電壓增量 相同，串聯(lián)分壓結果輸出電壓中無溫漂。當采用兩只磁敏二極管工作時，可選擇兩只磁電特性 相同的磁敏二極管接成差動半橋的方式補償。如圖7 26 (b)所示，此時兩磁敏二極管的磁敏感面應相對或背向 放置，即兩管感受相反極性的磁場作用，根據差動橋的加 減特性，不但可以實現(xiàn)溫度自補償，而且可以提高輸出電 壓的靈敏度。圖72咯(c)是差動全橋補償電路，四只磁敏二極管 具有相同的磁電特性，按照相鄰橋臂磁極性相反的原則接 入四個橋臂上，此時不但具有溫度自補償，而且電橋輸出 電壓的靈敏度更高。二、磁敏三極管1.基本結構磁敏三極管是在磁敏二極管基礎上發(fā)展起來的磁敏 晶體管，由Si或Ge材料經摻雜擴散

30、而成硅管或錯管，亦有 NPN型和PNP型，圖727表示NPN型磁敏三極管的基本結構 和電路符號。如圖727 (a)所示，與集電極c、發(fā)射極e和基極b 相聯(lián)的分別稱之為集電區(qū)、發(fā)射區(qū)和基區(qū)，在本征區(qū)才的 一側形成高復合率的復合區(qū)r ,在r區(qū)的對面仍保持無復 合的光滑面。b o-(a)基本結構(b)電路符號圖7 27 NPN磁敏三極管基本結構和符號2 工作原理誡敏三極番亦是利用半導體的磁阻效應進行磁電轉換的。磁敏三極管工作時，如同雙極型三極管一樣，需要在基極與發(fā)射極間加正向偏壓，而在基極與集電極間加反 向偏壓，此時磁敏三極管中載流子的運動決定于外加磁場 的大小和極性，如圖728所示。磁敏三極管的基

31、區(qū)可以分為兩個：從發(fā)射極注入的 載流子輸運到集電極的輸運基區(qū)；從發(fā)射極和基極注入的 載流子復合的復合基區(qū)。在圖728 (a)中，當磁敏三極管未受外加磁場作用 時，由于磁敏三極管基區(qū)寬度大于載流子有效擴散長度，由發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子只有一小部分擴散到集電區(qū)，而大部分電子在正偏壓作用下穿過才區(qū)到達基區(qū)，(主要是漂移電流)形成較大的基極電流厶，此時IN，P=IC/Ib<loH=0NNV/7/AZf+0p+ bI I/1-I IrN圖7 28磁敏三極管載流子受磁場影響 (a)無磁場 (b)正向磁場 (c)反向磁場在728 (b)中，當磁敏三極管受到外界正向磁場H+O 作用時，由發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子在才區(qū)

32、受到磁場洛倫茲力竝 作用，向集電區(qū)一側偏轉，使集電極電流厶增加(三極 管導通)，基極電流厶減小，此時1”，0二0>1。在728 (c)中，當磁敏三極管受到外界反向磁場 H-作用時，由發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子在才區(qū)受到磁場洛倫 茲力竝作用，向高速高復合的r區(qū)偏轉，使厶和厶都顯著 減小。(三極管截止)由上分析可見，即使基極電流k恒定，磁敏三極 管在正、反向磁場作用下，其集電極電流Ic發(fā)生顯著 變化，這是與普通三極管不同的地方。因而磁敏三極 管可用來實現(xiàn)磁電轉換。3. 主要特性（1）伏安特性磁敏三極管的伏安特性類似于普通雙極型三極管的伏 安特性，如圖7 29所示。圖中（G表示無磁場作用時的伏安特性曲線，此時 集電極電流厶主要受基極電流厶的影響，即發(fā)射結正向 偏壓越大，徧流厶越大，則厶亦越大；而集、射電壓匕 對厶基本無影響。此時厶【c，即這一點與 普通三極管不同。即磁敏三極管長基區(qū)特征。圖中（b）表示有磁場作用時的伏安特性曲線，此時 當厶一定時，Ic的大小決定于磁場的大小和極性。(mA)(mA)a) B=0(b) BHO圖7 29磁敏三極管伏安特性(2)磁電特性磁電特性是磁敏三極管 最重要的工作特性，它反映 外加磁場對磁敏三極集電極 電流厶的影響，圖7-30表示 NPN型錯管的磁電特性。由圖 可知，磁敏三極管在正向磁 場下輸出電流的靈敏度大于 在