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1、 第二节 磁敏电阻器是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件 ，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。（一） 磁阻效应若给通以电流的金属或半导体材料的薄片 加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值 就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简 称为磁阻效应。在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作 用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金 属或半导体材料的两种载流子 (电子和空穴 )的 迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载 流子引起电阻率变化 ,它可表示为：为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；0 材料在磁感应强度为0时的电阻率；载流子的迁移率。当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几 乎可以忽略，
2、此时霍耳效应更为强烈。若在 电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁 阻效应很强。 磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相 关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应 称为磁阻效应的几何磁阻效应。长方形磁阻器件只有在L(长度)W长方形磁阻材料上面制作 许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍耳 电势，这种栅格磁阻器件如图8-7（b）所示，就相当于 许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁 场电阻值、又提高了磁LWBB图8-7 几何磁阻效应II（a（b阻器件的灵敏度。常用的磁阻元件有 半导体磁阻元件和强磁 磁阻元件。其内部有制 作成半桥或全桥等多种 形式。1 灵敏度特性磁阻元件的灵敏度
3、特性是用在一定磁 场强度下的电阻变化率来表示，即磁场 电阻特性的斜率。常用K表示，单位为 mV/mA.kG即.Kg。在运算时常用RB/R0求 得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电 阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻 元件表现出来的电阻值，这种情况下，一 般磁阻元件的灵敏度大于2.7。 （二） 磁阻元件的主要特性2 磁场电阻特性 图8-8磁阻元件磁场电阻特性N级0.30.20.100.10.2 0.3R/1000500S级 (a) S、N级之间电阻特性B/T15 RBR0 105温度(25)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化0(b)电阻变化率特性0.2 0.40.6 0.81.
4、0 1.21.4B/T磁阻元件的电阻值与磁场的极性无 关，它只随磁场强度的增加而增加在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平 方特性，而超过0.1T后呈现线性变化图8-9 强磁磁阻元件电阻-磁场特性曲线输 出 电 压 V磁饱和点 B=Bs0(b)磁场输出特性H图8-9显示的是强磁磁阻元件的 磁场电阻特性曲线。从图中可以看出它与图8-8（a） 曲线相反，即随着磁场的增加，电 阻值减少。并且在磁通密度达数十 到数百高斯即饱和。一般电阻变化 为百分之几。 3 电阻温度特性图8-10是一般半导体磁阻元件的电阻温 度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件103842 10242 106-400206010
5、0温度/电 阻 变 化 率 %图8-10半导体元件电阻-温度特性曲线的温度特性不好 。图中的电阻值 在35的变化范 围内减小了1/2。 因此，在应用时 ，一般都要设计 温度补偿电路。图8-11是强磁磁阻元件的电阻温度特性曲线， 图中给出了采用恒流、恒压供电方式时的温度特性 。13010050电 阻 变 化 率 %-30 BX10-4/T电阻 +3500ppm/0输出(恒流工作)-500ppm/输出(恒压工作)-300ppm/图8-11 强磁阻元件电阻-磁场特性曲线可以看出，采用 恒压供电时，可以 获得500ppm/的 良好温度特性，而 采用恒流供电时却 高达3500 ppm/ 。但是由于强磁磁
6、 阻元件为开关方式 工作，因此常用恒 压方式。60（三）磁敏电阻的应用磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁 敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传 感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、 伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电 度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机 器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、 断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子 产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程 抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探 矿等。 第三节 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管、三极管是继霍尔元件和磁 敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元 件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳 元件高数百甚至数
7、千倍）；能识别磁场的极 性；体积小、电路简单等特点，因而正日益 得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍 应用。 一磁敏二极管的结构与工作原理 1、磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极 管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在 基区里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区，大于 载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻 材料构成的。一般锗磁敏二级管用=40cm左右的P型 或N型单晶做基区(锗本征半导体的=50cm)，在它的两 端有P型和N型锗，并引出，若代表长基区，则其PN结 实际上是由P结和N结共同组成。 以2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是P+i
8、N+型。+（b）磁敏二极管的结构和电路符号 (a)结构; (b)电路符号H+H-N+区p+区i区 r区电流（a）在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和 N型两个区域，并在本征区（i）区的一个侧面上，设 置高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为 光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其 结构如图。PNPNPNH=0H+H- 电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图流过二极管的电流也在 变化，也就是说二极管 等效电阻随着磁场的不 同而不同。为什么磁敏二极管会 有这种特性呢?下面作一 下分析。 2 、磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接
9、电源负极 即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，iii电子空穴复合区结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场 作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。 3磁敏二极管的主要特征 （1）伏安特性 在给定磁场情况下，磁敏二极管两端 正向偏压和通过它 的电流的关系曲线 。-0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T（a）531I/mA46810U
10、/V-0.3-0.2-0.10 0.10.20.3 0.4（b）531I/mA481216U/V-0.10 0.10.40.30.2-0.3（c） 图8-12 磁敏二极管伏安特性曲线 （a）锗磁敏二极管（b）、（c）硅二极管-0.1T-0.15T-0.2T000由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种 形式。一种如图8-12（b）所示，开始在较大偏 压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的 增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线上 升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种如 图8-12(c)所示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线 上有负阻现象，即电流急增的同时，有偏压突 然跌落的现象。产生负阻现象的原因是
11、高阻硅的热平衡载 流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之 前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之 后，电流才开始急增之故。 （2）磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管 的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫 做磁敏二极管的磁电特性。 图8-13 磁敏二极管的磁电特性曲线 （a）单个使用时（b）互补使用时B / 0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4 -0.8 -1.2 -1.6 -2.0B / 0.1T 2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4 -0.8 -1.2 -1.6 -2.01.03kREE=12V （18V ）T
12、d=20（a ）（b）U/VU/V图8-13给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线 。（3）温度特性 温度特性是指在标准测试条件下，输出电 压变化量 （或无磁场作用时中点电压 ）随 温度变化的规律，如图所示。 U/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I图8-14 磁敏二极管温度特性曲线 (单个使用时)U由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大。 反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度 系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下 ，u0的温度系数小于20mV， 的温度系 数小于0.6%/。而锗磁敏二极管u0的温度系
13、数 小于-60mV， 的温度系数小于1.5%/。 所以，规定硅管的使用温度为-4085，而 锗管则现定为-4065。 （4）频率特性 硅磁敏二极管的响应时间，几乎等 于注入载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时 间。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。 硅管的响应时间小于1 ，即响应频率高达1MHz。锗 磁敏二极管的响应频率小于10kHz。dB0.1-12-9-6-301010.01图8-15 锗磁敏三极管频率特性f/kHz5）磁灵敏度 磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：（a） 在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对 磁灵敏度（hu），即：u 0磁场强度为零时，二极管两端的电压；
14、u B磁场强度为B时，二极管两端的电压。(b)在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁 灵敏度（hi），即： (c) 在给定电压源E和负载电阻R的条件下，电 压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：应特别注意，如果使用磁敏二极管时的情况 和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其 灵敏度。 二磁敏三极管的结构与原理1、磁敏三极管的结构 NPN型磁敏三极管是在弱 P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结 即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元图8-16 NPN型磁敏三极管的结构和符号 a)结构 b)符号rN+N+ceH-H+P+bceba）b）件,如图。在长基区 的侧面制成一个复 合速
15、率很高的高复 合区r。长基区分为 输运基区和复合基 区两部。i2、磁敏三极管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）图8-17 磁敏三极管工作原理示意图 (a)H=0; (b)H=H+;(c)H=H- 1-运输基区；2-复合基区12当不受磁场作用如图8-17(a)时，由于磁敏三极管 的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入 的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通 过eib而形成基极电流。显而易见，基极电流 大于集电极电流。所以，电流放大系数 =IcIb 1。当受到H磁场作用如图8-17（b）时，由于 洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而 使集电极电流明显下降。当受 磁场使用如图8-17(c)时，载流子在洛 仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电 流增大。 /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/mA图8-18 磁敏三极管伏安特性曲线3、磁敏三极管的主要特性（1）伏安特性 图8-18(b)给出了磁敏三极管在 基极恒流条件下（Ib=3mA）、磁场为0
