半導(dǎo)體磁敏傳感器課件

1、第四章 半導(dǎo)體磁敏傳感器 4.1 霍耳磁敏傳感器 4.2 磁敏二極管和磁敏三極管 4.3 磁敏電阻 磁敏傳感器是把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。它廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、信息傳遞、電磁測量、生物醫(yī)學(xué)等待個(gè)領(lǐng)域。 磁敏傳感器的工作原理大多是基于帶電載流子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)因受洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)的機(jī)理： FqVB q為電子電荷，V為載流子運(yùn)動(dòng)速度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。 根據(jù)B0H(0為材料的導(dǎo)磁率)，磁敏傳感器可以分為兩類：高導(dǎo)磁率材料(1)制成的磁敏傳感器。如利用鐵鎳薄膜磁阻效應(yīng)制成的磁敏傳感器；低導(dǎo)磁率材料(1)制成的磁敏傳感器，如利用半導(dǎo)體材料(如Si、GaA s、InSb等)的電磁效應(yīng)制成的

2、磁敏傳感器例如霍爾器件、磁敏晶體管、磁敏電阻器等。除上述兩類外，還有核磁共振、超導(dǎo)量子干涉器件等磁敏傳感器。包括B、H、等4.1 霍耳磁敏傳感器 （一）工作原理霍耳效應(yīng) 通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。-I-+lwd霍耳效應(yīng)原理圖VHzxyn 設(shè)n型半導(dǎo)體的長度為l，寬度為w，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向z施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力沿y軸負(fù)方向，大小為q電子電量(1.6210-19C)； v電子運(yùn)動(dòng)平均速度。 由于載流子的偏轉(zhuǎn)，使y方向上兩極板分別積累不同的電荷，產(chǎn)生新的電勢差VH（霍耳電勢），形成由+y指向-

3、y的電場EH，電子受該電場的電場力方向沿y軸正方向，大小為 當(dāng) fL 和 EH 達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)， VH不再增加達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值：霍耳電勢VH與 I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成： 電流密度j=nqvnN型半導(dǎo)體中的電子濃度N型半導(dǎo)體 霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定；載流子遷移率根據(jù)霍耳電勢的表達(dá)式，VH正比于I和B，并隨B的方向改變而改變符號，因此可由VH檢測B的大小和方向。注意影響霍耳靈敏度的因素材料類型、導(dǎo)電類型和厚度或者代入設(shè) KH=RH / d KH霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍耳電勢的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度

4、B的方向與霍耳器件的平面法線夾角為時(shí)（即B與I不完全垂直時(shí)），霍耳電勢應(yīng)為： VH KH I B VH KH I B cos 注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時(shí)，輸出霍耳電勢的方向也改變；但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍耳電勢并不改變方向?；舳骷琣)實(shí)際結(jié)構(gòu)(mm)；(b)簡化結(jié)構(gòu)；(c)等效電路外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2（二）霍耳磁敏傳感器（霍耳器件）的結(jié)構(gòu)dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w控制電流端霍耳端R4ABCDR1R2R3R4（c）霍耳電勢輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱為霍耳端或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載,稱為霍耳負(fù)

5、載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。霍耳端子間的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。 器件電流(控制電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。H霍耳器件符號AAABBBCCCDDD關(guān)于霍耳器件符號，名稱及型號，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一規(guī)定，為敘述方便起見，暫規(guī)定下列名稱的符號。 控制電流I；霍耳電勢VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。 圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載R3,R3可以是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場

6、B垂直通過霍耳器件,在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本應(yīng)用電路R實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B, 或者正比于其乘積IB。元件尺寸的一些特點(diǎn)：幾何尺寸l/w：由于存在局部短路作用，在霍耳電極上輸出的霍耳電勢，將要比理論值小，只有當(dāng)l/w時(shí)，才符合VH的定義式。一般在l/w為有限值時(shí)，認(rèn)為l/w2基本上就可以有效減小短路現(xiàn)象，若l/w過大，控制電極間距增大，使輸入功耗增加，會降低元件的輸出?；舳姌O的位置和大?。阂话闳≡L邊的中心點(diǎn)作為霍耳電極的位置，它的寬度尺寸s是小于元件長度尺寸的1/10。由于金屬電極的存在，

7、會使因洛侖茲力積累的部分電荷與對面感應(yīng)的相反電荷中和，導(dǎo)致VH下降，所以離控制電極越近的位置處VH也越小。上兩式是霍耳器件中的基本公式。即：輸入電流或輸入電壓和霍耳輸出電勢完全呈線性關(guān)系。如果輸入電流或電壓中任一項(xiàng)固定時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電勢之間也完全呈線性關(guān)系。同樣，若給出控制電壓V，由于V=R1I，可得控制電壓和霍耳電勢的關(guān)系式設(shè)霍耳片厚度d均勻，電流I和霍耳電場的方向分別平行于長、短邊界，則控制電流I和霍耳電勢VH的關(guān)系式（三）霍耳器件的基本特性 1、直線性：指霍耳器件的輸出電勢VH分別和基本參數(shù)I、V、B之間呈線性關(guān)系。VH=KHBI 2、靈敏度：可以用乘積靈敏度或磁場靈敏度以及電流靈

8、敏度、電勢靈敏度等多種方式來表示：KH乘積靈敏度，表示霍耳電勢VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和控制電流I乘積之間的比值，通常以mV/(mA0.1T)。因?yàn)榛舳妮敵鲭妷阂蓛蓚€(gè)輸入量的乘積來確定,故稱為乘積靈敏度。KB磁場靈敏度，通常以額定電流為標(biāo)準(zhǔn)。磁場靈敏度等于霍耳元件通以額定電流時(shí)每單位磁感應(yīng)強(qiáng)度對應(yīng)的霍耳電勢值。常用于磁場測量等情況。 KI電流靈敏度，電流靈敏度等于霍耳元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下電流對應(yīng)的霍耳電勢值。若控制電流值固定，則：VHKBB若磁場值固定，則：VHKI I3、額定電流：霍耳元件的允許溫升規(guī)定著一個(gè)最大控制電流。4、最大輸出功率 在霍耳電極間接入負(fù)載后，元件的功率輸出與負(fù)載的大

9、小有關(guān)，當(dāng)霍耳電極間的內(nèi)阻R2等于霍耳負(fù)載電阻R3時(shí)，霍耳輸出功率為最大。 5、最大效率 霍耳器件的輸出與輸入功率之比，稱為效率，和最大輸出對應(yīng)的效率，稱為最大效率，即：6、負(fù)載特性 當(dāng)霍耳電極間串接有負(fù)載時(shí)，因?yàn)榱鬟^霍耳電流，在其內(nèi)阻上將產(chǎn)生壓降，故實(shí)際霍耳電勢比理論值小。由于霍耳電極間內(nèi)阻和磁阻效應(yīng)的影響，霍耳電勢和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間便失去了線性關(guān)系。如圖所示。 8060402000.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理論值實(shí)際值VHR3I霍耳電勢的負(fù)載特性=R3/R2 霍耳電勢隨負(fù)載電阻值而改變的情況7、溫度特性：指霍耳電勢或靈敏度的溫度特性，以及輸入阻抗和輸

10、出阻抗的溫度特性。它們可歸結(jié)為霍耳系數(shù)和電阻率（或電導(dǎo)率）與溫度的關(guān)系?；舳牧系臏囟忍卣鳎╝）RH與溫度的關(guān)系；（b）與溫度的關(guān)系RH/cm2/A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0 霍耳元件的輸出電壓常常具有負(fù)的溫度系數(shù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需考慮溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}。8、頻率特性磁場恒定，而通過傳感器的電流是交變的：器件的頻率特性很好，到10kHz時(shí)交流輸出還與直流情況相同。因此,霍耳器件可用于微波范圍,其輸出不受頻率影響。 磁場交變：霍耳輸出不僅與頻率有關(guān)，而且還與器件的電導(dǎo)率、周圍介

11、質(zhì)的磁導(dǎo)率及磁路參數(shù)(特別是氣隙寬度)等有關(guān)。這是由于在交變磁場作用下，元件與導(dǎo)體一樣會在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流的緣故。 總之，在交變磁場下，當(dāng)頻率為數(shù)十kHz時(shí)，可以不考慮頻率對器件輸出的影響，即使在數(shù)MHz時(shí)，如果能仔細(xì)設(shè)計(jì)氣隙寬度，選用合適的元件和導(dǎo)磁材料，仍然可以保證器件有良好的頻率特性的。 9、不等位電勢VM和寄生直流電勢VoD霍耳元件在額定控制電流作用下，在無外加磁場時(shí)霍耳電極間的開路電勢差，稱為不等位電勢VM。它是由于兩個(gè)輸出電極不在同一個(gè)等位面上而造成的，產(chǎn)生的原因主要有材料電阻率的不均勻，基片寬度和厚度不一致及電極與基片之間的接觸位置不對稱或電接觸不良等。在不加外磁場情況下，霍耳元件

12、通過交流控制電流，在霍耳電極上也會有直流電勢，稱為寄生直流電勢VoD。它是元件的霍耳電極或輸入電極在與半導(dǎo)體片相接觸時(shí)，沒形成良好的歐姆接觸，產(chǎn)生了整流效應(yīng)，導(dǎo)致了霍耳電極產(chǎn)生寄生直流電勢VoD。比較二者的差別： 不等位電勢是由于元件的幾何形狀或電極位置不對稱以及材料的不均勻而造成的，寄生直流電勢則是由于電極的整流接觸而造成的，因此前者電勢的方向隨控制電流方向改變而改變，但數(shù)值不變，它能增強(qiáng)或削弱霍耳電壓，而寄生直流電勢與電流的流向無關(guān)，它也不影響霍耳電勢的測量。 霍耳開關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出。

13、它把霍耳器件的電壓經(jīng)過一定的閾值甄別處理和放大，而輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號。 霍耳開關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點(diǎn)磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。它也能與數(shù)字電路直接配合使用，因此可直接滿足控制系統(tǒng)的需要?；舳_關(guān)集成傳感器（四）集成霍耳傳感器霍耳開關(guān)集成傳感器通常由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路和開路輸出五部分組成。 穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。 霍耳開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H開關(guān)型集成霍耳

14、傳感器基本電路補(bǔ)償元件差分放大施密特觸發(fā)器（整形電路） 3020T輸出VoutR=2k+12V123（b）應(yīng)用電路 （a）外型 霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路123霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線 從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，這對開關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利。 圖中的BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度?；舳_關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)： 工作電壓 、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。0 該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度

15、高于BOP時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。 霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用(閱讀) a.霍耳開關(guān)集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL磁鐵軸心接近式 在磁鐵的軸心方向垂直于傳感器并同傳感器軸心重合的條件下，霍耳開關(guān)集成傳感器的L1-B關(guān)系曲線NSAlNiCo 磁鐵6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距離L1/mmB/TL1隨磁鐵與傳感器的間隔距離的增加,作用在傳

16、感器表面的磁感強(qiáng)度衰減很快。當(dāng)磁鐵向傳感器接近到一定位置時(shí),傳感器開關(guān)接通,而磁鐵移開到一定距離時(shí)開關(guān)關(guān)斷。應(yīng)用時(shí),如果磁鐵已選定,則應(yīng)按具體的應(yīng)用場合,對作用距離作合適的選擇。 b給傳感器施加磁場的方式 磁鐵側(cè)向滑近式 要求磁鐵平面與傳感器平面的距離不變，而磁鐵的軸線與傳感器的平面垂直。磁鐵以滑近移動(dòng)的方式在傳感器前方通過?；舳_關(guān)集成傳感器的L2-B關(guān)系曲線0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙2.05AlNiCo 磁鐵6.432L2距離L2/mm采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度在霍耳開關(guān)應(yīng)用時(shí)，提高激勵(lì)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度是一

17、個(gè)重要方面。除選用磁感應(yīng)強(qiáng)度大的磁鐵或減少磁鐵與傳感器的間隔距離外，還可采用下列方法增強(qiáng)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。SN磁力集中器傳感器磁鐵磁力集中器安裝示意圖SN磁力集中器傳感器磁鐵鐵底盤在磁鐵上安裝鐵底盤示意圖SN磁鐵磁力集中器傳感器帶有磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式示意圖磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁鐵與中心線的距離L2/mmB-L2曲線的對比圖 (a)加磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式 激勵(lì)磁場應(yīng)用實(shí)例(b)推拉式 兩個(gè)磁鐵的S極都面對傳感器，這樣可以得到如圖所示的較為線性的特性。N SS N傳感器圖2.6-20 推拉式激勵(lì)磁場示意圖圖2.6-21 推拉式L1

18、-B關(guān)系曲線距離L1/mmB/T0.05-0.050-10-5051015-15注意：磁鐵S極作用于傳感器背面，會抵消傳感器正面磁鐵S極的激勵(lì)作用。(c)雙磁鐵滑近式 為激勵(lì)傳感器開關(guān)的接通，往往把磁鐵的S極對著傳感器正面，如果在傳感器的背面也設(shè)置一磁鐵，使它的N極對著傳感器的背面，就會獲得大得多的磁場。傳感器滑近S N N S 圖2.6-22 雙磁鐵滑近式結(jié)構(gòu)示意圖 (d)翼片遮擋式 翼片遮擋方法就是把鐵片放到磁鐵與傳感器之間，使磁力線被分流、傍路，遮擋磁場對傳感器激勵(lì)。當(dāng)磁鐵和傳感器之間無遮擋時(shí)，傳感器被磁鐵激勵(lì)而導(dǎo)通；當(dāng)翼片轉(zhuǎn)動(dòng)到磁鐵和傳感器之間時(shí)，傳感器被關(guān)斷。圖2.6-23 翼片遮擋

19、器的形狀片狀筒狀 霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測定、機(jī)械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測定與控制、位置及角度的檢測等等(e) 偏磁式 在傳感器背面放置固定的磁鐵加入偏磁，就可以改變傳感器的工作點(diǎn)或釋放點(diǎn)。例如。將磁鐵的N極粘附在傳感器的背面，則傳感器在正常情況下處于導(dǎo)通狀態(tài)，必須在它的正面施加更強(qiáng)的負(fù)磁場，才能使它關(guān)斷。 霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 霍耳線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 霍耳線性集成傳感器利用了霍耳元件的輸出電壓與外加磁場成線性比例的關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放

20、大后輸出。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路。 霍耳開關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài)，而霍耳線性集成傳感器的輸出卻是對外加磁場的線性感應(yīng)。因此霍耳線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。霍耳線性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種，其電路結(jié)構(gòu)如下圖?；舳€性集成傳感器單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖 單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，通

21、常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501T。 雙端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M?；舳€性集成傳感器的主要技術(shù)特性 傳感器的輸出特性如下圖： 磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3輸出電壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線對正負(fù)磁場，傳感器表現(xiàn)出對稱的輸出特性；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度太大時(shí)，輸出有飽和的趨勢。2.52.01.51.00.50.040.080.120.160.200.24輸出電壓U/V磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T

22、SL3501M傳感器的輸出特性曲線00.280.32R=0R=15R=100 負(fù)載電阻對霍耳線性集成傳感器的輸出有一定的影響，其輸出特性如下圖： （五）霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用 利用霍耳效應(yīng)制作的霍耳器件，不僅在磁場測量方面，而且在測量技術(shù)、無線電技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。 利用霍耳電勢與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測量和控制。應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計(jì)、電流計(jì)、磁讀頭、位移計(jì)、速度計(jì)、振動(dòng)計(jì)、羅盤、轉(zhuǎn)速計(jì)、無觸點(diǎn)開關(guān)等。 利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點(diǎn)： (1) 體積小，結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用

23、。 (2)無可動(dòng)部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。 (3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長，可靠性高。 (4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。 (5)霍耳器件載流子慣性小，裝置動(dòng)態(tài)特性好。 霍耳器件也存在轉(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大等明顯缺點(diǎn)。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點(diǎn)正逐步得到克服。測量磁場的大小和方向電位差計(jì)mAESNR 霍耳磁敏傳感器測磁原理示意圖磁方向圖西90o東0o北南180o270o磁通集束器圖中Li為集束器的總長度，La為集束器中部的空隙距離，霍耳器件磁通密度Ba比外部磁通密度B0約增強(qiáng)Li/La倍。 圖為均勻磁場中使用集束器(實(shí)線)和不使用磁集束器(用虛線表示)時(shí)的磁方向圖

24、ERVHB0LaBaLi磁通集束器原理圖材料溫度(K)RHInSb78460.0527110InAs787.50.0096506.8Si78150.05070幾種導(dǎo)體材料在低溫下的性能 4.2 磁敏二極管和磁敏三極管 磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來的新型磁電轉(zhuǎn)換元件，它們都屬于結(jié)型半導(dǎo)體磁敏器件的范疇，其電特性隨外部磁場的改變有顯著的變化。 這兩種磁敏器件具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視，并在檢測、控制等方面得到普遍應(yīng)用。 4.2.1 磁敏二極管的工作原理和主要特性 1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)

25、磁敏二極管是利用“磁阻效應(yīng)”進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的，常用本征半導(dǎo)體材料，一般有有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級管兩種。普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，而磁敏二級管則屬長基區(qū)二極管，是p-i-n型結(jié)構(gòu)，其中i為本征或接近本征的半導(dǎo)體高阻材料，它的長度大于載流子的擴(kuò)散長度（如一般鍺磁敏二級管用=40cm左右的P型或N型單晶做基區(qū)，鍺本征半導(dǎo)體的=50cm)；兩端分別是高摻雜的P型和N型區(qū)域，如果近本征區(qū)是弱n型的，稱p-n ，如果是弱p型的稱p-n 。+ +（b）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(a)結(jié)構(gòu); (b)電路符號H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高

26、摻雜的P型和N型兩個(gè)區(qū)域，并在本征區(qū)（i）區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)(r區(qū))，而與r區(qū)相對的另一側(cè)面，保持為光滑無復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。PNPNPNH=0H+H-電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖也在變化，也就是說二極管等效電阻隨著磁場的不同而不同。為什么磁敏二極管會有這種特性呢?下面作一下分析。 磁敏二極管的工作原理 當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極即外加正偏壓時(shí)，隨著磁敏二極管所受磁場的變化，流過二極管的電流iii電子空穴復(fù)合區(qū) 在普通二極管中加上正向偏壓V+后， V+ =Vi+Vp+Vn，其中Vi為i區(qū)壓降，Vp、Vn分別為

27、p-i、i-n結(jié)的壓降。在無外磁場時(shí)，在外電場的作用下，大部分空穴由p區(qū)向i區(qū)注入，而電子則由n區(qū)向i區(qū)注入，即雙注入長基區(qū)二極管，注入i區(qū)的電子和空穴數(shù)基本是相等的，除少數(shù)載流子在體內(nèi)復(fù)合掉之外，大多數(shù)分別到達(dá)對面的n和p區(qū)，形成流過器件的總電流I=Ip+In。 當(dāng)受到正向磁場作用時(shí)，電子和空穴由于受到洛侖茲力的作用均向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，r區(qū)是高復(fù)合區(qū)，進(jìn)入該區(qū)的電子和空穴迅速被復(fù)合掉，因而i區(qū)的載流子密度減少，等效于i區(qū)的電阻增加，則Vi增加而Vp、Vn相應(yīng)減少，使流入i區(qū)的載流子密度進(jìn)一步減少，i區(qū)電阻進(jìn)一步增加直到某一穩(wěn)定值為止，如圖b。 相反，磁場改變方向，電子和空穴將向r區(qū)的對面-無復(fù)合區(qū)

28、流動(dòng)，使載流子復(fù)合減少，相當(dāng)于i區(qū)載流子密度增加，電阻減小，Vi減少而Vp、Vn相應(yīng)增加，從而流入i區(qū)的載流子數(shù)增加形成電流的正反饋?zhàn)饔?，電流增大直到某一穩(wěn)定值為止如圖c。 結(jié)論：隨著磁場大小和方向的變化，磁敏二極管可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化，特別是在較弱的磁場作用下，可獲得較大輸出電壓。并且，若r區(qū)和r區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。 綜上，當(dāng)存在磁場時(shí)，由于受洛侖茲力的影響，載流子的偏轉(zhuǎn)使高復(fù)合區(qū)對電流產(chǎn)生影響。而載流子運(yùn)動(dòng)軌跡的改變和行程的增加，取決于洛侖茲力的大小，而洛侖茲力的大小又與電場和磁場乘積成正比，由此可見，隨著磁場方向和大小的變化，可產(chǎn)生正、負(fù)輸出電壓的

29、變化，這就是磁敏二極管的工作原理。 磁敏二極管反向偏置時(shí)，則在 r區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關(guān)，可忽略不計(jì)。 磁敏二極管的主要特征（1）伏安特性 在給定磁場情況下，磁敏二極管兩端的正向偏壓和通過它的電流的關(guān)系曲線。-0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T（a）531I/mA46810U/V -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.30.4（b）531I/mA481216U/V-0.1 00.10.40.30.2-0.3（c） 磁敏二極管伏安特性曲線（a）鍺磁敏二極管（b）、（c）硅二極管-0.1T-0.15T-0.2T000

30、 由圖a可以看出：輸出電壓一定時(shí)，磁場為正，隨著磁場增加電流減小，表示磁阻增加；磁場為負(fù)時(shí)，隨著磁場向負(fù)方向增加，電流增加，表示磁阻減??；在同一磁場下，電流越大，輸出電壓變化量也越大。 對于硅磁敏二極管，伏安特性有兩種形式：一種如圖b所示，開始在較大偏壓范圍內(nèi)，電流變化比較平坦，隨外加偏壓的增加，電流逐漸增加；此后，伏安特性曲線上升很快，表現(xiàn)出其動(dòng)態(tài)電阻比較小。另一種如圖c所示，硅磁敏二極管的伏安特性曲線上有負(fù)阻現(xiàn)象，即電流急增的同時(shí)，有偏壓突然跌落的現(xiàn)象。 產(chǎn)生負(fù)阻現(xiàn)象的原因是高阻硅的熱平衡載流子較少，注入的載流子未填滿復(fù)合中心之前，不會產(chǎn)生較大的電流，當(dāng)填滿復(fù)合中心之后，電流才開始急增，同

31、時(shí)i區(qū)壓降減少，表現(xiàn)為負(fù)阻特性。 （2）磁電特性 在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場間的變化關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特性。 磁敏二極管的磁電特性曲線（a）單個(gè)使用時(shí)（b）互補(bǔ)使用時(shí)B / 0.1T1.02.03.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.03kREE=12V（18V）Td=20abU/VU/V 下圖給出磁敏二極管單個(gè)使用和互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線。從兩圖中可以看出: a.單個(gè)磁敏二極管使用時(shí),正向磁靈敏度

32、大于反向磁靈敏度;若互補(bǔ)使用時(shí),正反向磁靈敏度基本對稱。 b當(dāng)磁場強(qiáng)度增加到很大時(shí)，靈敏度有趨于飽和的趨勢；但在弱磁場時(shí)，磁敏二極管仍有良好的線性。 （3）溫度特性 溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，輸出電壓變化量 （或無磁場作用時(shí)中點(diǎn)電壓 ）隨溫度變化的規(guī)律，如下圖所示，可見磁敏二極管受溫度的影響較大。 U/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I磁敏二極管溫度特性曲線(單個(gè)使用時(shí))U反映磁敏二極管的溫度特性好壞，也可用溫度系數(shù)來表示。硅磁敏二極管在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，u0的溫度系數(shù)小于20mV/， 的溫度系數(shù)小于0.6%/；

33、而鍺磁敏二極管u0的溫度系數(shù)小于-60mV， 的溫度系數(shù)小于1.5%/。所以，規(guī)定硅管的使用溫度為-40+85，而鍺管則現(xiàn)定為-4065。 （4）頻率特性 硅磁敏二極管的響應(yīng)時(shí)間，幾乎等于注入載流子漂移過程中被復(fù)合并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間。所以，頻率響應(yīng)時(shí)間與載流子的有效壽命相當(dāng)。硅管的響應(yīng)時(shí)間小于1 ，即響應(yīng)頻率高達(dá)1MHz。鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于10kHz。dB0.1-12-9-6-3 01010.01圖2.6-32 鍺磁敏三極管頻率特性f/kHz（5）磁靈敏度 磁敏二極管的磁靈敏度有三種定義方法：（a）在恒流條件下，偏壓隨磁場而變化的電壓相對磁靈敏度（hu），即： u 0磁場強(qiáng)度為零時(shí)，

34、二極管兩端的電壓；u B磁場強(qiáng)度為B時(shí)，二極管兩端的電壓。 (b)在恒壓條件下，偏流隨磁場變化的電流相對磁靈敏度（hi），即： (c) 在給定電壓源E和負(fù)載電阻R的條件下，電壓相對磁靈敏度和電流相對磁靈敏度定義如下： 應(yīng)特別注意，如果使用磁敏二極管時(shí)的情況和元件出廠的測試條件不一致時(shí)，應(yīng)重新測試其靈敏度。 4.2.2 磁敏三極管的工作原理和主要特性 1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理（1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu) NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元件，如圖。在長基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率圖2.6-33 NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號a)

35、結(jié)構(gòu) b)符號rN+N+ceH-H+P+bceba）b）很高的高復(fù)合區(qū)r。長基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部分。i（2）磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）圖2.6-34 磁敏三極管工作原理示意圖(a)H=0; (b)H=H-;(c)H=H+1-運(yùn)輸基區(qū)；2-復(fù)合基區(qū)12當(dāng)不受磁場作用如圖(a)時(shí)，由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長度，因而注入的載流子除少部分輸入到集電極c外，大部分通過eib而形成基極電流。顯而易見，基極電流大于集電極電流。所以，電流放大系數(shù)=IcIb1。 當(dāng)受到H-磁場作用如圖（b）時(shí)，由于洛

36、侖茲力作用，載流子向復(fù)合基區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流Ic明顯下降。磁場越大，這種偏轉(zhuǎn)越明顯，集電極電流下降的也越多。 當(dāng)受H+ 磁場使用如圖(c)時(shí)，載流子在洛侖茲力作用下，向輸運(yùn)基區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流Ic增大，并隨磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)這種偏轉(zhuǎn)也會增強(qiáng)。 綜上：當(dāng)磁場B的方向和大小改變時(shí)，集電極電流Ic也會隨之發(fā)生不同的改變。/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mA B+=0.1TIb=3mA B=0Ib=3mA B=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/m

37、A磁敏三極管伏安特性曲線2磁敏三極管的主要特性 （1）伏安特性 圖（b）給出了磁敏三極管在基極恒流條件下（Ib=3mA）、磁場為0.1T時(shí)的集電極電流的變化；圖 (a)則為不受磁場作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線。（2）磁電特性 磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如下圖所示。B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-33BCM磁敏三極管電磁特性由圖可見，在弱磁場作用時(shí)，曲線近似于一條直線。 (3)溫度特性 磁敏三極管對溫度也是敏感的。3ACM、3BCM鍺磁敏三極管的溫度系數(shù)為0.8；3CCM硅磁敏三極管的溫度系數(shù)為-

38、0 .6。 3BCM的溫度特性曲線如圖所示。 3BCM磁敏三極管的溫度特性(a)基極電源恒壓 (b)基極恒流 (a)-20020401.20.80.41.660B=0B=0.1TB=0.1TT/基極電源恒壓Vb=5.7VIC/mA基極恒流Ib=2mAB=01.20.80.4-20020401.680B=0.1TB=0.1TT/ (b)IC/mA 溫度系數(shù)有兩種：一種是靜態(tài)集電極電流Ic0的溫度系數(shù)；一種是磁靈敏度 的溫度系數(shù)。 在使用溫度t1 t2范圍 Ic0的改變量與常溫（比如25）時(shí)的Ic0之比，平均每度的相對變化量被定義為Ic0的溫度系數(shù) Ic0CT，即： 同樣，在使用溫度t1t2范圍內(nèi)

39、， 的改變量與25時(shí)的 值之比，平均每度的相對變化量被定義為 的溫度系數(shù) ： 對于3BCM磁敏三極管，當(dāng)采用補(bǔ)償措施時(shí)，其正向靈敏度受溫度影響不大，而負(fù)向靈敏度受溫度影響比較大，主要表現(xiàn)為有相當(dāng)大一部分器件存在著一個(gè)無靈敏度的溫度點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)的位置由所加基流（無磁場作用時(shí)）Ib0的大小決定。當(dāng)Ib04mA時(shí)，此無靈敏度溫度點(diǎn)處于+40左右。當(dāng)溫度超過此點(diǎn)時(shí)，負(fù)向靈敏度也變?yōu)檎蜢`敏度，即不論對正、負(fù)向磁場，集電極電流都發(fā)生同樣性質(zhì)變化。 因此，減小基極電流，無靈敏度的溫度點(diǎn)將向較高溫度方向移動(dòng)。當(dāng)Ib0=2mA時(shí)，此溫度點(diǎn)可達(dá)50左右。但另一方面，若Ib0過小，則會影響磁靈敏度。所以，當(dāng)需要同時(shí)

40、使用正負(fù)靈敏度時(shí)，溫度要選在無靈敏度溫度點(diǎn)以下。 （5）磁靈敏度 磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度 和負(fù)向靈敏度 兩種。其定義如下： 式中 受正向磁場B+作用時(shí)的集電極電流； 受反向磁場B-作用時(shí)的集電極電流； 不受磁場作用時(shí)，在給定基流情況下的集電極輸出電流。（4）頻率特性 3BCM鍺磁敏三極管對于交變磁場的頻率響應(yīng)特性為10kHz。 4.2.3 磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用 由于磁敏管有效高的磁靈敏度，體積和功耗都很小，且能識別磁極性等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型半導(dǎo)體磁敏元件，它有著廣泛的應(yīng)用前景。 利用磁敏管可以作成磁場探測儀器如高斯計(jì)、漏磁測量儀、地磁測量儀等。用磁敏管作成的磁場探測儀，可測量1

41、0-7T左右的弱磁場。根據(jù)通電導(dǎo)線周圍具有磁場，而磁場的強(qiáng)弱又取決于通電導(dǎo)線中電流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接觸方法來測量導(dǎo)線中電流。而用這種裝置來檢測磁場還可確定導(dǎo)線中電流值大小，既安全又省電，因此是一種備受歡迎的電流表。 此外,利用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器(能測高達(dá)每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速),無觸點(diǎn)電位器和漏磁探傷儀等。4.2.4 常用磁敏管的型號和參數(shù) 3BCM型鍺磁敏三極管參數(shù)表參 數(shù)單位測試條件規(guī)范ABCDE磁靈敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B= 0.1T51010151520202525擊穿電壓BUccoVIc=1.5mA2020252525漏電流Icc0Vcs=

42、6A200200200200200最大基極電流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW45使用溫度-4065最高溫度75mA3CCM型硅磁敏三極管參數(shù)表 參數(shù)單 位測試條件規(guī)范磁靈敏度%Ec=6VIb=3mAB= 0.1T5%擊穿電壓BUccoVIc=1020V漏電流Icc0Ice=6A5功耗mW20mW使用溫度-4085最高溫度100溫度系數(shù)%/-0.10-0.25%/4.3 磁敏電阻 它是一種材料的電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件，它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)和形狀效應(yīng)。4.3.1 磁阻效應(yīng)和形狀效應(yīng)磁阻效應(yīng) 若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直的外磁場，不僅有霍耳效應(yīng)

43、，而且其電阻值會增加，稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)（物理磁阻效應(yīng)）。常用的磁阻元件有半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁磁阻元件。其內(nèi)部有制作成半橋或全橋等多種形式。 在磁場中，電流的實(shí)際流動(dòng)路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子 (電子和空穴 )的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化 ,弱磁場下它可表示為：為磁感應(yīng)強(qiáng)度； 載流子的遷移率。材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為時(shí)的電阻率；0 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率； 當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時(shí)霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)

44、很強(qiáng)。形狀效應(yīng) 即使在相同的磁場和電流作用下，由于元件的幾何形狀不同而出現(xiàn)電阻值不同變化的現(xiàn)象，稱為形狀效應(yīng)，又稱幾何形狀效應(yīng)。 受元件形狀限制，靠近輸入端的霍耳電壓VH較小，實(shí)際電流在半導(dǎo)體中的流動(dòng)會如下圖所示。只有中心部分的電流平行于電場方向，靠近兩端電極附近的電流路徑都會拉長，等效于電極附近電阻增大。當(dāng)元件形狀和尺寸不同時(shí)，電流實(shí)際流動(dòng)的路徑形狀會有所不同，這就是由于形狀效應(yīng)而產(chǎn)生阻值的變化情況。I常見的磁阻元件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可有以下幾種：長方形磁阻元件、科爾賓元件、平面電極元件、共晶磁阻元件、曲折型磁阻元件。長方形磁阻元件長方形磁阻元件只有在L(長度)W（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高

45、的靈敏度，在兩端部制成電極，構(gòu)成兩端器件。從圖a不難看出，載流子因弧形運(yùn)動(dòng)，在磁場中走過的路程增加，使載流子受到的阻礙增加從而材料的電阻率增大。4.3.2 磁阻元件的典型結(jié)構(gòu)把LW的扁平器件串聯(lián)起來，就會零磁場電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。圖（a）是沒有串聯(lián)的情況，電流只在電極附近偏轉(zhuǎn)，電阻增加很小；圖（b）為多個(gè)元件的串聯(lián)后的結(jié)構(gòu)。LW長方形磁阻元件II（a）（b） 科爾賓元件 在盤形元件的外圓周邊和中心處，裝上電流電極，將具有這種結(jié)構(gòu)的磁阻元件稱為科爾賓元件。兩個(gè)電極間構(gòu)成一個(gè)電阻器，電流在兩個(gè)電極間流動(dòng)時(shí)，載流子的運(yùn)動(dòng)路徑會因磁場作用而發(fā)生彎曲使電阻增大。在電流橫向上，電阻是無“頭”無“尾”的，因此霍耳電壓無法建立，有效消除了霍耳電場的影響，電阻隨磁場有很大的變化，這是可以獲得最大磁阻效應(yīng)的一