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1、半导体磁敏元件半导体磁敏元件 (2)沈 阳 工 业 大 学本次课内容1.半导体的磁敏效应2. 霍尔元件3 霍尔元件的应用4 磁阻元件5 磁阻元件的应用6 磁敏二极管7 磁敏三极管8 磁敏集成电路沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学2.6 2.6 主要参数主要参数2 霍尔元件（1）输入电阻Rin在规定条件下（一般B=0, Ic =0.1mA）控制（激励）电流两个电极之间的电阻。（2）输出电阻Rout在规定条件下（一般B=0, Ic =0.1mA ），无负载情况时两个输出电极之间的
2、电阻。（3）额定控制电流IC在B =0时，环境温度为25的条件下，霍尔元件由焦耳热引起的温度升高10时，所通过的控制电流IC。（4）最大允许控制电流ICM霍尔元件在最高允许使用温度 下的允许最大控制电流。一般元件Tj=80。（5）不等位电势VM额定控制电流作用下，无外加磁场时，输出（霍尔）电极间的开路电压不为零；沈 阳 工 业 大 学2 霍尔元件（6）不等位电阻RM不等位电势VM与控制电流IC之比；（7）磁灵敏度SBSB=VH/B（8）乘积灵敏度SH SH= VH/ICB=RH/d（9）霍尔电压温度系数（10）内阻温度系数（11）热阻Rth霍尔元件工作时功耗每增加1W，霍尔元件升高的温度值称为
3、它的热阻。= VH/T= R/T2.6 2.6 主要参数主要参数沈 阳 工 业 大 学2.7 霍尔元件的补偿技术2 霍尔元件 造成测量误差的主要原因 半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都是随温度变化而变化的。霍尔元件的性能参数，如内阻、霍尔电势等也将随温度变化而变化。（2）制造工艺的缺陷 表现形式：（2）零点误差（1）温度变化引起的误差 霍尔元件的补偿（2）零点补偿（1）温度补偿（1）半导体的固有特性沈 阳 工 业 大 学恒流源并联电阻进行温度补偿恒流源并联电阻进行温度补偿2 霍尔元件霍尔元件的补偿技术霍尔元件的补偿技术A 温度补偿VH=RHICB/d温度升到T时，电路中各参数变为 温度
4、为T0时分流电阻温度系数;输入电阻温度系数；沈 阳 工 业 大 学升温前、后的霍尔电势不变经整理，忽略 高次项后得 2 霍尔元件恒流源并联电阻进行温度补偿恒流源并联电阻进行温度补偿A 温度补偿沈 阳 工 业 大 学恒压源进行温度补偿恒压源进行温度补偿2 霍尔元件A 温度补偿温度为T0时温度为T时教材上，未考虑r0的温度系数;沈 阳 工 业 大 学B 霍尔元件不等位电势的补偿2 霍尔元件 对不等位电势进行补偿，采用电桥平衡原理。根据A，B两点电位高低，判断哪一桥臂电阻较大，就在这一桥臂上并联一个电阻使桥路平衡，消除不等位电势。沈 阳 工 业 大 学3 霍尔元件的应用磁场变化曲线3.1霍尔位移传感
5、器注：霍尔电压与位移量x成线性关系，同时霍尔电压的极性反映了位移的方向。 VH=Kx磁感应强度的梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性越良好。基于霍尔效应制成的位移传感器一般用来测量12mm的小位移 ，特点：惯性小，响应速度快。沈 阳 工 业 大 学 3.2 霍尔式转速传感器3 霍尔元件的应用 被测转轴转动时, 磁性转盘随之转动, 固定在磁性转盘附近的霍尔传感器在每一个小磁铁通过时产生一个脉冲, 检测出单位时间的脉冲数, 可知被测转速。转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。 3.3 霍尔式加速度传感器沈 阳 工 业 大 学3 霍尔元件的应用3.4霍尔电流传感器直接检测式（
6、也称磁强计式）和磁平衡式安培环路定律B=I/2r 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。沈 阳 工 业 大 学3 霍尔元件的应用3.5霍尔元件的基本电路 霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获得较大的UH。基本电路沈 阳 工 业 大 学4.1 4.1 磁阻效应磁阻效应 电流和磁场作用以及形状和尺寸不同引起半导体的电阻变化的现象称半导体磁阻效应，前者称物理磁阻效应，后者称几何磁阻效应。4 磁阻元件4.2 物理磁阻效应 外磁场与外电场的方向是垂直的，称为横
7、向磁阻效应。 载流子运动轨迹注：在弱磁场时， 成正比； 在强磁场时， 成正比在磁场无限大时，电阻率趋于饱和。沈 阳 工 业 大 学4.3 几何磁阻效应4 磁阻元件 相同磁场和控制电流作用时，由于半导体的几何形状、尺寸和结构的不同而出现电阻率变化不同的现象称为几何磁阻效应。扁条形样品电流分布长方形样品电流分布在弱磁场时，磁阻比RB/R0为式中，g为样品的形状系数 注：L/W值越小，g值越大磁阻效应越显著。形状系数与L/W关系沈 阳 工 业 大 学 科比诺圆盘4.3几何磁阻效应4 磁阻元件形状系数与L/W关系在强磁场时，磁阻比RB/R0为在中等磁场时，磁阻比RB/R0为式中，2N1。 电流以螺旋状
8、路径流出电极， 电流路径拉长，电阻显著增大。圆盘状样品电流分布示意图(b) B B(a)B=0B=0沈 阳 工 业 大 学4 磁阻元件 长方形磁阻元件长方形磁阻元件在弱磁场时，它的磁阻比： 在强磁场时，磁阻比：若物理磁阻效应不显著，则强磁场条件下，磁敏电阻值与成正比关系。mt为磁阻平方系数； 在LW的长方形半导体薄片上面沉积许多等间距的金属短路条（即栅格），以短路霍尔电压。 栅格型磁阻元件栅格型磁阻元件基于物理磁阻效应工作；沈 阳 工 业 大 学4.4 磁阻元件的特性参数规定条件下（一般B=0, Ic =0.1mA）（1）全电阻 在规定条件下，不加磁场时单个磁阻元件或由它组成的半桥或全桥电阻值
9、，也称为零磁感强度电阻值。4 磁阻元件（2）磁阻系数 在规定磁感应强度（0.1-0.3T）下，单位磁感应强度引起的电阻变化量与零磁感应强度下的电阻值之比。（3）磁阻比 在规定磁感应强度下，磁敏电阻值与零磁感应强度下电阻值之比。（4）磁灵敏度 在规定磁感应强度下，单位磁感应强度引起磁敏电阻值的变化量。（5）磁线性灵敏度（6）磁阻平方灵敏度（7）最大输入电压（8）输出电压（9）温度系数（10）热阻（11）工作温度范围（12）线性误差（13）平方律误差沈 阳 工 业 大 学 制造：单晶法、薄膜法和共晶材料法。 共晶材料法4.5磁阻元件的制造工艺4 磁阻元件 材料选择：要求电子迁移率大，满足条件有In
10、Sb和InAs。 短路条尺寸的确定 由InSb和NiSb晶体共同组成。 单晶磁阻元件制造 将单晶切割成厚度为0.5-1mm的晶片，抛光后，贴在衬底上，抛光减薄后，达到10-30微米，制作短路条和欧姆电极。针状代替短路条 薄膜型磁阻元件制造衬底材料：选用陶瓷、微晶玻璃或铁氧体材料，前2者，为提高灵敏度，在衬底另一面贴纯铁集束片。沈 阳 工 业 大 学15RBR0105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电阻变化率特性0.20.40.60.81.01.21.4B/T在在0.1T0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过而超过0.1T0.1
11、T后呈现线性变化后呈现线性变化温度（温度（温度（温度（）0 02020150150505040408080100100电阻（电阻（电阻（电阻（）1001006060 灵敏度特性灵敏度特性灵敏度特性灵敏度特性4 磁阻元件4.5磁阻元件特性 温度特性温度特性温度特性温度特性注: 半导体磁阻元件的温度特性不好,通常需要补偿。沈 阳 工 业 大 学5 5 磁阻元件的应用磁阻元件的应用 倾斜角传感器倾斜角传感器由悬臂板簧、配重、磁钢及元件和阻尼油密封在一起组成沈 阳 工 业 大 学6 6 磁敏二极管磁敏二极管电特性随外界磁场变化而变化的一种二极管，利用磁阻效应进行磁电转换。6.1 6.1 结构和工作原理
12、结构和工作原理 磁敏二极管是P-I-N二极管，有很长的基区，又称为长基区二极管。基区长度L应大于载流子的扩散长度。在施加正向偏压时，PI结向基区注入空穴，IN结向基区注入电子，又称为双注入长二极管。磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构; (b)电路符号沈 阳 工 业 大 学6.1 6.1 结构和工作原理结构和工作原理6 6 磁敏二极管磁敏二极管 随着磁场方向和大小的变化，可引起I区电阻变化，从而引起磁敏二极管电流大小的变化。P+N+P+N+H=H+H=H-磁敏二极管中载流子受磁场影响示意图P+N+H=0高复合的r区沈 阳 工 业 大 学6 6 磁敏二极管磁敏二极管6.26.2磁敏二极管的特性参
13、数磁敏二极管的特性参数 伏安特性 磁灵敏度磁灵敏度（1）电压相对磁灵敏度SV测试条件为: B=0.1T，I=3mA。 磁电特性沈 阳 工 业 大 学6 6 磁敏二极管磁敏二极管 磁灵敏度磁灵敏度（2）电流相对磁灵敏度SI 测试条件: B=0.1T，锗磁敏二极管偏压 V=6V，硅磁敏二极管偏压V=8V。（3）实用测试方法测试条件一般为E=9V，RL=2k 当RL时相当于恒流源条件下测试的电压相对灵敏度，即 同理，当RL0时，相当于恒压源条件下电流相对灵敏度，即沈 阳 工 业 大 学 温度特性温度特性6 6 磁敏二极管磁敏二极管包括伏安特性、零磁场输出电压V0和电压磁灵敏度随温度变化而变化的特性。
14、 磁敏二极管的温度补偿磁敏二极管的温度补偿 选择2只或4只特性接近的管子，按互为相反的磁敏感性进行组合。磁敏二极管温度补偿电路沈 阳 工 业 大 学用磁敏二极管组成的差动位移传感器6.3 6.3 磁敏二极管的应用磁敏二极管的应用6 6 磁敏二极管磁敏二极管沈 阳 工 业 大 学7 7 磁敏三极管磁敏三极管 按材料分硅磁敏三极管和锗磁敏三极管 按结构分为NPN型和PNP型磁敏三极管7.1结构和符号 NPN磁敏三极管基本结构和电路符号7.2 工作原理三极管的磁敏效应是由集电极电流IC 的变化来反映。基区大于载流子有效扩散长度，大部分在基区与基极注入空穴复合形成基极电流Ib。（A）B=0基区复合部分
15、减少，使集电极电流明显增大。（B）B+增大了基区复合部分，集电极电流明显下降。（C）B-沈 阳 工 业 大 学7.37.3磁敏三极管的特性参数磁敏三极管的特性参数（1）伏安特性7 7 磁敏三极管磁敏三极管B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-33BCM磁敏三极管磁电特性 在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。（2）磁电特性磁敏三极管伏安特性沈 阳 工 业 大 学（4 4）温度特性）温度特性7 7 磁敏三极管磁敏三极管（3）磁灵敏度负温度系数正温度系数沈 阳 工 业 大 学7 7 磁敏三极管磁敏三极管7.47.4磁敏三极管的温度补偿技术磁敏三极管的温度补偿技术 磁
16、敏三极管的集电极电流IC 和磁灵敏度SB都随温度的变化而变化，要使之稳定地工作，必须进行温度补偿。磁敏三极管的温度补偿电路锗磁敏三极管的温度补偿电路沈 阳 工 业 大 学8 8 磁敏集成电路磁敏集成电路 把霍尔元件与相应的放大器和信号处理电路等集成在一个芯片上，制成霍尔集成电路，提高霍尔传感器的性能扩展功能。8.1 结构8.2 类型差动输出线性霍尔集成传感器开关型霍尔集成传感器磁敏集成电路示意图沈 阳 工 业 大 学8 8 磁敏集成电路磁敏集成电路 双极型霍尔开关集成电路电源温度补偿霍尔元件前置放大器施密特触发器输出电路方框图电路图T4集电极电位Vc4随着磁感应强度变化沈 阳 工 业 大 学8
17、 8 磁敏集成电路磁敏集成电路 特性参数特性参数（1）导通磁感应强度B（H-L）由“关”态转换到“开”态时, 作用到霍尔元件上的磁感应强度。（2）截止磁感应强度B（L-H）由“开”态转换到“关”态, 作用到霍尔元件上的磁感应强度。（3）磁滞回差B导通磁感应强度与截止磁感应强度的差值称为磁滞回差。（4）输出高电平VOH（5）输出低电平V0L（6）负载电流IOL（7）输出漏电流IOH（8）截止电源电流ICCH（9）导通电源电流ICCL沈 阳 工 业 大 学1.制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？2.为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般要大于2:1？3.分析双极型线性霍尔集成电路工作原理（P138）。4.霍尔开关型集成电路特性参数。5.磁敏元件温度补偿问题，包括霍尔元件、磁阻元件、磁敏二极管、三极管的温度补偿。6.霍尔元件、磁阻元件特性参数有哪些？作业作业结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！42
