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1、7.6 半导体磁敏器件,磁敏器件也称磁电变换元件，它是指电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件。它的基本原理是霍尔效应和磁阻效应。 磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类，前者有霍尔传感器和磁敏电阻；后者有磁敏二极管、磁敏晶体管。 磁敏传感器按其应用范围可分为模拟用途和数字用途两种。例如利用霍尔传感器测量磁场强度，用磁敏电阻、磁敏二极管作无接触式开关等。,霍尔传感器,霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，有普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的霍尔元件。由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特件应用于非电量测量、自动控制、计算机
2、装置和现代军事技术等各个领域。,霍尔器件的优点,结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便 功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动 不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 精度高、线性度好 开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m级） 工作温度范围宽（55150 ）,霍尔效应,长为L、宽为b、厚为d 的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度为B 的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制电流I，则在导体另外两边将产生,一个大小与控制电流 I 和磁感应强度 B 乘积成正比的电势UH，且UHKHIB，其中 KH 为霍尔元件的灵敏度。这一现象称
3、为霍尔效应。,霍尔效应是导体中自由电荷受洛仑兹力作用而产生的。设霍尔元件为N型半导体，当它通以电流I 时，半导体中的电子受到磁场中洛仑兹力 FL 的作用，其大小为：,式中为电子速度，B 为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在 FL 的作用下，电子向垂直于B 和的方向偏移，在器件的某一端积聚负电荷，另一端面则为正电荷积聚。,电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为 FE 与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为：,式中 EH 为霍尔电场，q 为电子电量，UH 为霍尔电势。当 FL = FE 时，电子的积累达到动平衡，即：,设流过霍尔元件的电流为 I 时：,式中bd
4、为与电流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。则：,霍尔系数,RH 则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。,灵敏度,KH为霍尔元件的灵敏度。 由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度 d 与 KH成反比。,霍尔元件的主要技术参数,额定功耗P0,霍尔元件在环境温度T25时，允许通过霍尔元件的控制电流I和工作电压V的乘积即为额定功耗。,输入电阻Ri和输出电阻R0,Ri 是指流过控制电
5、流的电极（简称控制电极）间的电阻值，R0 是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻。,不平衡电势U0,在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡(不等)电势。不平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻r0。,霍尔电势温度系数,在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数，单位为1。,内阻温度系数,霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1时，输入电阻Ri与输出电阻R0变化的百分率称为内阻温度系数，单位为1。一般取不同温度时的平均值。,灵敏度KH,InSb霍尔元件的输出特性,GaAs霍尔元件的输出特性,霍尔器件
6、应用中的问题,零位误差及补偿方法,零位误差是霍尔元件在加控制电流且不加外磁场时，出现的霍尔电势称为零位误差。不平衡电,势U0 是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。,温度误差及其补偿,由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而且温度高到一定程度时，产生的变化相当大。,利用输出回路并联电阻进行补偿,输入电流恒定时，如果输出电阻随温度增加而增大，霍尔电势增加；若输出端并联一个补偿电阻RL，由于内阻增加，内阻压降亦增大，输出电压将会减小。只要适当选据补偿电阻RL，就可达到补
7、偿的目的。,在温度影响下，元件输出电阻从Rt0变到Rt，输出电阻Rt和电势UHt应为 RtRt0 (1+t)；UHtUHt0 (1+t)，式中、为霍尔元件的输出电势UHt和输出电阻Rt的温度系数。此时RL上的电压则为：,补偿电阻RL上电压随温度变化最小的条件：,因此当知道霍尔元件的、及Rt0时，便可以计算出能实现温度补偿的电阻RL的值。,磁阻效应,磁场中载流体电阻随磁场而变化的现象称为磁阻效应。恒温时，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。,B 磁感应强度为B时的电阻率； 0 零磁场下的电阻率； 电子迁移率；B 磁感应强度,当器件只有电子参与导电，则磁阻效应方程为：,磁敏电阻,磁敏电阻器是基于磁阻效
8、应的磁敏元件。磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。,为了提高元件的电阻增加率，元件采用在半导体表面制作了金属短路栅的结构，以短路霍尔电势，从而使电流得到最大偏转角。 实际生产的InSbNiSb磁敏电阻器是在锑化铟熔融体中掺入镍(Ni)，结晶时使锑化镍以针状析出，形成短路栅。短路栅结构实际上是将器件分成多个小的宽长比大的电阻，再串联起来，得到大的电阻变化。,短路栅结构,磁敏电阻大小与器件形状是相关的。 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大。,磁敏二极管和磁敏三极管,霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成的体型元件。磁敏
9、二极管和磁敏三极管是PN结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积小等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。,磁敏二极管,磁敏二极管的PN电极由高阻材料制成，在PN之间有一个较长的本征区I，本征区I的一面磨成光滑的复合表面(为I区)，另一回打毛，设置成高复合区(为r区) 。,无磁场正偏置下，磁敏二极管通过P区、N区向I区注入空穴和电子，并在I区有少量的复合；当磁敏二极管受到图(b)所示的外界磁场H+(正向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，因此，电流因复合速度加快,而减小。磁场强度越强，复
10、合越大，外电路的电流越小。当磁敏二极管受到如图(c)所示的外界磁场片H-(反向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，电子和空穴复合率明显变小，则外电路的电流变大。,磁敏二极管的主要特性,在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏,(1)磁电特性,二极管的磁电特性。磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。,(2)伏安特性,磁敏二极管正向偏压和电流的关系被称为其伏安特性，不同磁场强度下，其伏安特性是不一样。,(3)温度特性,磁敏二极管受温度影响较大，即在一定测试条
11、件下，磁敏二极管的输出电压变化量U，或者在无磁场作用时，中点电压Um 随温度变化较大。,温度补偿方法,互补式温度补偿电路图(a) 选两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性放置串接在电路中，则器件输出电压随温度保持不变，且灵敏度提高。 差分式电路图(c) 全桥电路图(d) 该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。 热敏电阻补偿电路图(e) 热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路。,磁敏三极管,在弱P或弱N型本征衬底上合金或扩散形成发射极、基极和集电极。最大特点是基区较长，并分为输运基区和复合基区。 未加磁场时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b，形
12、成基极电流；少数载流子输入到c极，因而基极电流大于集电极电流。 加正向磁场时，载流子偏向发射极一侧，集电极电流显著下降；当磁场反向时，载流子流向集电极一侧，使集电极电流增大。可见，磁敏三极管在正、反向磁场下，集电极电流有明显变化。,磁敏三极管的主要特性,磁敏三极管的磁电特性是应用的基础。图为国产NPN（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近直线。,(1)磁电特性,(2)伏安特性,不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。 在磁场作用下(1kGs，Ib=3mA)，集电极电流随磁场发生变化。可见，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。,(3)温度特性,磁敏三极管对温度
13、比较敏感，实际使用时必须进行温度补偿。锗磁敏管，其磁灵敏度的温度系数为0.8/；硅磁敏管的温度系数为-0.6/。硅磁敏管可用正温度系数的普通硅三极管来补偿，如图(a)。图(b)是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性使其作硅磁敏三极管的负载，以弥补硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流漂移问题。图(c)为磁极相反的磁敏三极管组成的差分电路，,这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿。,磁敏MOSFET,在MOSFET的沟道电流方向加垂直的磁场，根据霍尔效应在垂直电流和磁场的方向上，将产生霍尔电压。据此，在普通的MOSFET沟道两侧设置一对霍尔电极，可制成磁MOSFET。 当器件结构确
14、定，在一定的磁场下，霍尔电压与磁场呈线性关系。,集成磁敏传感器及应用,将磁敏器件、信号放大器和温度补偿电路等集成在同一芯片上形成集成磁敏传感器，其主要分成开关电路和线性电路。,磁通量测量电路，用于非接触电流表,（a) 单OC输出 (b)双OC输出 霍尔开关电路,汽车ABS系统,加速度测试,液位测量,各种转速,电网平衡,逆变相位控制,7.7 半导体致冷器,半导体致冷器是一种新型的换能器件，通过这种器件可将电能直接转换为热能。,半导体致冷器是一个纯固态冷源，既能致冷，又能加热，而且还能反向使用即温差发电。 半导体致冷器具有无污染，体积小、重量轻、长寿命等优点。 但他也具有它的弱点：产冷量低、单位产
15、冷量的造价高，需要直流电源等因素的限制。 半导体致冷器应用： 1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等； 2、医疗方面：冷刀、冷台、白内障摘除器等； 3、专用装置方面：电脑、石油低温测试仪等； 4、日常生活方面：空调、冷暖保温箱、饮水机等。,优点和应用,半导体致冷工作原理,帕尔帖(Peltier)效应,当直流电通过两种不同导电材料所构成的回路时，接点上将产生吸热或放热的现象。,原理,载流子在金属和半导体中有不同的势能，当载流子流过金属和,半导体联结点时，会存在能量交换。由于金属中电子的势能低于N型半导体中电子的势能，因此在1点，电子流从半导体流向金属时会放出热量，1点金属温度升高；2点电子流从金属流向半导体时会吸收热量，2点金属温度下降；金属中空穴的势能也低于P型半导体中空穴的势能，同理，3点金属温度下降，4点金属温度上升。,器件结构,单极电堆,并联多极电堆,器件特性参数,致冷系数,消耗单位电功率W0所能产生的致冷量Q0：,优值系数,优值系数影响半导体致冷器的最大温差，优值系数越大，获得的温差越大。,产品参数,
