半導體磁敏元件

半導體磁敏元件第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月本次課內容1.半導體的磁敏效應2.霍爾元件3霍爾元件的應用4磁阻元件5磁阻元件的應用6磁敏二極管7磁敏三極管8磁敏集成電路第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月1.半導體的磁敏效應1.1霍爾效應半導體的磁敏效應是指半導體在電場和磁場作用下表現(xiàn)出來的霍爾效應、磁阻效應、熱磁效應和光磁電效應等。洛侖茲力:電場力:當達到動態(tài)平衡時RH—霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質決定;第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月1.半導體的磁敏效應1.2霍爾系數(shù)金屬材料：電子μ很高，但ρ很小；絕緣材料：ρ很高，但μ很??；為獲得較強霍耳效應，霍耳片大多采用半導體材料制成；由于電子遷移率比空穴大，一般采用N型材料。設KH=RH/d

KH—乘積靈敏度。與載流材料的物理性質和幾何尺寸有關，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時霍耳電勢的大小。VH＝KH

IB若B方向與霍耳器件平面法線夾角為θ時，霍耳電勢為：

VH＝KHIBcosθ

注：當控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍耳電勢的方向也改變。但當磁場與電流同時改變方向時，霍耳電勢并不改變方向。第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月A，B為控制電流端子，C，D為霍爾電壓輸出端子，稱這種結構為霍爾片，在霍爾片上焊引出線，外面封裝上非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂等外殼即成為霍爾元件，在C、D兩輸出端子輸出霍爾電壓。2霍爾元件2.1霍爾元件結構2.2霍爾角

霍爾元件電場E和電流密度Jn不在同一方向，它們間夾角θH稱為霍爾角tanθH=Ey/Ex第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月霍爾片的幾何尺寸對電場和霍爾電壓有影響，電流控制電極對霍爾電壓存在短路作用。另外，幾何形狀也影響了霍爾電壓和內阻的大小。2.3霍爾元件驅動方式2霍爾元件VH=RHICB/d恒流驅動：VH=(W/L)VinμnB恒壓驅動：2.4形狀系數(shù)VH（x=0）=VH（x=L）=0VH=（RHICB/d）f(L/W,θH)考慮影響后改寫為：f(L/W,θH)稱為形狀效應系數(shù)霍爾元件時通常選擇L/W＞2。第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5制造工藝2霍爾元件分立元件型和集成電路型在分立元件型中，由于材料和制造工藝的不同，分為單晶型和薄膜型。單晶型霍爾元件工藝硅、鍺、砷化鎵和銻化銦等材料：氧化、腐蝕、光刻、擴散、制作電極、焊接引線、涂保護層、中測和封裝等。高阻率的單晶，直接制作歐姆接觸良好的電極比較困難。采用多種金屬合金方法降低接觸點整流效應和接觸電阻，通常在濃磷N+接觸孔上鍍一層金屬鎳，高溫處理后使鎳擴散到N+區(qū)。再鍍一層金屬作為引線焊接點，形成良好的歐姆接觸。平面工藝：合金化工藝：第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）陰極濺射多晶InSb，在基片上形成多晶InSb薄膜。2霍爾元件

薄膜霍爾元件工藝材料：InSb薄膜工藝：（1）用兩個蒸發(fā)源分別蒸發(fā)In和Sb，在基片上形成多晶InSb薄膜；（2）將InSb粉末撒在高溫蒸發(fā)源上，在基片上形成多晶InSb薄膜；（3）用蒸發(fā)源蒸發(fā)InSb，在蒸發(fā)源和基片之間安裝一個離子化電源，使蒸發(fā)的InSb分子或分子團變成離子或離子團，然后沉積到基片上形成多晶InSb薄膜;第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6主要參數(shù)2霍爾元件（1）輸入電阻Rin在規(guī)定條件下（一般B=0,Ic=0.1mA）控制（激勵）電流兩個電極之間的電阻。（2）輸出電阻Rout在規(guī)定條件下（一般B=0,Ic=0.1mA），無負載情況時兩個輸出電極之間的電阻。（3）額定控制電流IC在B=0時，環(huán)境溫度為25℃的條件下，霍爾元件由焦耳熱引起的溫度升高10℃時，所通過的控制電流IC。（4）最大允許控制電流ICM霍爾元件在最高允許使用溫度下的允許最大控制電流。一般元件Tj=80℃。（5）不等位電勢VM額定控制電流作用下，無外加磁場時，輸出（霍爾）電極間的開路電壓不為零；第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2霍爾元件（6）不等位電阻RM不等位電勢VM與控制電流IC之比；（7）磁靈敏度SBSB=VH/B（8）乘積靈敏度SHSH=VH/ICB=RH/d（9）霍爾電壓溫度系數(shù)（10）內阻溫度系數(shù)（11）熱阻Rth霍爾元件工作時功耗每增加1W，霍爾元件升高的溫度值稱為它的熱阻。α=VH/△Tβ=R/△T2.6主要參數(shù)第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.7霍爾元件的補償技術2霍爾元件造成測量誤差的主要原因半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都是隨溫度變化而變化的?；魻栐男阅軈?shù)，如內阻、霍爾電勢等也將隨溫度變化而變化。（2）制造工藝的缺陷表現(xiàn)形式：（2）零點誤差（1）溫度變化引起的誤差霍爾元件的補償（2）零點補償（1）溫度補償（1）半導體的固有特性第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月恒流源并聯(lián)電阻進行溫度補償2霍爾元件霍爾元件的補償技術A溫度補償VH=RHICB/d溫度升到T時，電路中各參數(shù)變?yōu)?/p>

溫度為T0時分流電阻溫度系數(shù);輸入電阻溫度系數(shù)；第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月升溫前、后的霍爾電勢不變經整理，忽略高次項后得

2霍爾元件恒流源并聯(lián)電阻進行溫度補償A溫度補償?shù)?3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月恒壓源進行溫度補償2霍爾元件A溫度補償溫度為T0時溫度為T時教材上，未考慮r0的溫度系數(shù);第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月B霍爾元件不等位電勢的補償2霍爾元件對不等位電勢進行補償，采用電橋平衡原理。根據(jù)A，B兩點電位高低，判斷哪一橋臂電阻較大，就在這一橋臂上并聯(lián)一個電阻使橋路平衡，消除不等位電勢。第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3霍爾元件的應用磁場變化曲線3.1霍爾位移傳感器注：霍爾電壓與位移量x成線性關系，同時霍爾電壓的極性反映了位移的方向。VH=Kx磁感應強度的梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性越良好?；诨魻栃瞥傻奈灰苽鞲衅饕话阌脕頊y量1~2mm的小位移，特點：慣性小，響應速度快。第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2霍爾式轉速傳感器3霍爾元件的應用被測轉軸轉動時,磁性轉盤隨之轉動,固定在磁性轉盤附近的霍爾傳感器在每一個小磁鐵通過時產生一個脈沖,檢測出單位時間的脈沖數(shù),可知被測轉速。轉盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉速的分辨率。3.3霍爾式加速度傳感器第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3霍爾元件的應用3.4霍爾電流傳感器直接檢測式（也稱磁強計式）和磁平衡式安培環(huán)路定律B=μI/2πr當電流流過導線時，將在導線周圍產生磁場，磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3霍爾元件的應用3.5霍爾元件的基本電路

霍爾元件的轉換效率較低，實際應用中，可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運算放大器放大，以獲得較大的UH?；倦娐返?9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1磁阻效應

電流和磁場作用以及形狀和尺寸不同引起半導體的電阻變化的現(xiàn)象稱半導體磁阻效應，前者稱物理磁阻效應，后者稱幾何磁阻效應。4磁阻元件4.2物理磁阻效應外磁場與外電場的方向是垂直的，稱為橫向磁阻效應。

載流子運動軌跡注：在弱磁場時，成正比；在強磁場時，成正比在磁場無限大時，電阻率趨于飽和。第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3幾何磁阻效應4磁阻元件相同磁場和控制電流作用時，由于半導體的幾何形狀、尺寸和結構的不同而出現(xiàn)電阻率變化不同的現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應。扁條形樣品電流分布長方形樣品電流分布在弱磁場時，磁阻比RB/R0為式中，g為樣品的形狀系數(shù)注：L/W值越小，g值越大磁阻效應越顯著。形狀系數(shù)與L/W關系第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月科比諾圓盤4.3幾何磁阻效應4磁阻元件形狀系數(shù)與L/W關系在強磁場時，磁阻比RB/R0為在中等磁場時，磁阻比RB/R0為式中，2>N>1。電流以螺旋狀路徑流出電極，電流路徑拉長，電阻顯著增大。圓盤狀樣品電流分布示意圖(b)

B(a)B=0第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4磁阻元件長方形磁阻元件在弱磁場時，它的磁阻比：在強磁場時，磁阻比：若物理磁阻效應不顯著，則強磁場條件下，磁敏電阻值ＲＢ與Ｂ成正比關系。mt為磁阻平方系數(shù)；在L＞W的長方形半導體薄片上面沉積許多等間距的金屬短路條（即柵格），以短路霍爾電壓。柵格型磁阻元件柵格型磁阻元件基于物理磁阻效應工作；第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4磁阻元件的特性參數(shù)規(guī)定條件下（一般B=0,Ic=0.1mA）（1）全電阻在規(guī)定條件下，不加磁場時單個磁阻元件或由它組成的半橋或全橋電阻值，也稱為零磁感強度電阻值。4磁阻元件（2）磁阻系數(shù)在規(guī)定磁感應強度（0.1-0.3T）下，單位磁感應強度引起的電阻變化量與零磁感應強度下的電阻值之比。（3）磁阻比在規(guī)定磁感應強度下，磁敏電阻值與零磁感應強度下電阻值之比。（4）磁靈敏度在規(guī)定磁感應強度下，單位磁感應強度引起磁敏電阻值的變化量。（5）磁線性靈敏度（6）磁阻平方靈敏度（7）最大輸入電壓（8）輸出電壓（9）溫度系數(shù)（10）熱阻（11）工作溫度范圍（12）線性誤差（13）平方律誤差第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月制造：單晶法、薄膜法和共晶材料法。共晶材料法4.5磁阻元件的制造工藝4磁阻元件材料選擇：要求電子遷移率大，滿足條件有InSb和InAs。短路條尺寸的確定由InSb和NiSb晶體共同組成。單晶磁阻元件制造將單晶切割成厚度為0.5-1mm的晶片，拋光后，貼在襯底上，拋光減薄后，達到10-30微米，制作短路條和歐姆電極。針狀代替短路條薄膜型磁阻元件制造襯底材料：選用陶瓷、微晶玻璃或鐵氧體材料，前2者，為提高靈敏度，在襯底另一面貼純鐵集束片。第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月15RBR0105溫度(25℃)弱磁場下呈平方特性變化強場下呈直線特性變化0電阻變化率特性0.20.40.60.81.01.21.4B/T在0.1T以下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化溫度（℃）020150504080100電阻（Ω）10060靈敏度特性4磁阻元件4.5磁阻元件特性溫度特性注:半導體磁阻元件的溫度特性不好,通常需要補償。第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月5磁阻元件的應用傾斜角傳感器由懸臂板簧、配重、磁鋼及元件和阻尼油密封在一起組成第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6磁敏二極管電特性隨外界磁場變化而變化的一種二極管，利用磁阻效應進行磁電轉換。6.1結構和工作原理磁敏二極管是P＋-I-N＋二極管，有很長的基區(qū)，又稱為長基區(qū)二極管?；鶇^(qū)長度L應大于載流子的擴散長度。在施加正向偏壓時，P＋I結向基區(qū)注入空穴，IN＋結向基區(qū)注入電子，又稱為雙注入長二極管。磁敏二極管的結構和電路符號(a)結構;(b)電路符號第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1結構和工作原理6磁敏二極管隨著磁場方向和大小的變化，可引起I區(qū)電阻變化，從而引起磁敏二極管電流大小的變化。P+N+P+N+H=H+H=H-磁敏二極管中載流子受磁場影響示意圖P+N+H=0高復合的r區(qū)第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6磁敏二極管6.2磁敏二極管的特性參數(shù)伏安特性磁靈敏度（1）電壓相對磁靈敏度SV測試條件為:B=±0.1T，I=3mA。磁電特性第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6磁敏二極管磁靈敏度（2）電流相對磁靈敏度SI測試條件:B=±0.1T，鍺磁敏二極管偏壓V=6V，硅磁敏二極管偏壓V=8V。（3）實用測試方法測試條件一般為E=9V，RL=2kΩ當RL→∞時相當于恒流源條件下測試的電壓相對靈敏度，即同理，當RL→0時，相當于恒壓源條件下電流相對靈敏度，即第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度特性6磁敏二極管包括伏安特性、零磁場輸出電壓V0和電壓磁靈敏度隨溫度變化而變化的特性。磁敏二極管的溫度補償選擇2只或4只特性接近的管子，按互為相反的磁敏感性進行組合。磁敏二極管溫度補償電路第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月用磁敏二極管組成的差動位移傳感器6.3磁敏二極管的應用6磁敏二極管第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月7磁敏三極管按材料分硅磁敏三極管和鍺磁敏三極管按結構分為NPN型和PNP型磁敏三極管7.1結構和符號NPN磁敏三極管基本結構和電路符號7.2工作原理三極管的磁敏效應是由集電極電流IC的變化來反映?；鶇^(qū)大于載流子有效擴散長度，大部分在基區(qū)與基極注入空穴復合形成基極電流Ib。（A）B=0基區(qū)復合部分減少，使集電極電流明顯增大。（B）B+增大了基區(qū)復合部分，集電極電流明顯下降。（C）B-第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3磁敏三極管的特性參數(shù)（1）伏安特性7磁敏三極管B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-33BCM磁敏三極管磁電特性

在弱磁場作用時，曲線近似于一條直線。（2）磁電特性磁敏三極管伏安特性第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）溫度特性7磁敏三極管（3）磁靈敏度負溫度系數(shù)正溫度系數(shù)第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月7磁敏三極管7.4磁敏三極管的溫度補償技術磁敏三極管的集電極電流IC和磁靈敏度SB都隨溫度的變化而變化，要使之穩(wěn)定地工作，必須進行溫度補償。磁敏三極管的溫度補償電路鍺磁敏