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1、第第7 7章章 磁传感器磁传感器1（一）霍尔效应（一）霍尔效应金属或半导体薄片置于磁感应强度为金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（的磁场（磁场方向垂磁场方向垂直于薄片直于薄片）中，当有电流）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生向上将产生电动势电动势UH。这种物理现象称为。这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应。当通以电流当通以电流 I 时，半导体中的时，半导体中的电子受到磁场中洛仑兹力洛仑电子受到磁场中洛仑兹力洛仑兹力兹力FL的作用，其大小为的作用，其大小为在在 FL 的作用下，电子发生偏移，的作用下，电子发生偏移，在半导体的后端积聚负电荷，在半
2、导体的后端积聚负电荷，前端则为正电荷，形成电场前端则为正电荷，形成电场。一、霍尔传感器的工作原理及特性一、霍尔传感器的工作原理及特性2静电场对电子的作用力为静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为止电子继续偏转，其大小为当当FL FE0时，电子的积累达到动平衡，即时，电子的积累达到动平衡，即所以所以设流过霍尔元件的电流为设流过霍尔元件的电流为 I 时，时，式中式中bd为与电流方向垂直的截面积，为与电流方向垂直的截面积，n 为单位体积内自由电为单位体积内自由电子数子数(载流子浓度载流子浓度)。3RH则被定义为霍尔传感器的则被定义为霍尔传感
3、器的霍尔系数霍尔系数；KH为霍尔元件的为霍尔元件的灵敏度灵敏度。由上述讨论可知，霍尔元件的由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度灵敏度不仅与元件材料的不仅与元件材料的霍尔系霍尔系数数有关，还与霍尔元件的有关，还与霍尔元件的几何尺寸几何尺寸有关。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，霍尔元件的知，霍尔元件的厚度厚度d与与KH成反比成反比。式中式中所以所以因为因为如果磁场和薄片法线有如果磁场和薄片法线有角，那么角，那么4霍尔元件霍尔元件 基于霍尔效应工作的半导体器件称为基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件霍尔元件 在薄片
4、的在薄片的长度方向长度方向两端面上焊有两根引线（图中两端面上焊有两根引线（图中a，b线），称线），称为控制电流端引线，通常用为控制电流端引线，通常用红色红色导线；导线； 在薄片的另两侧端面的在薄片的另两侧端面的中间中间以点的形式以点的形式对称地对称地焊有两根霍尔输焊有两根霍尔输出端引线（图中出端引线（图中c，d线），通常用线），通常用绿色绿色导线。导线。5（二）霍尔元件的电磁特性（二）霍尔元件的电磁特性 UH I 特性特性在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电势在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电势UH与控制电流与控制电流 I 之之间呈间呈线性关系线性关系，如图所示，直线的斜率称为控制电流灵敏度，如
5、图所示，直线的斜率称为控制电流灵敏度，用用k1表示表示 k1 =(UH /I )B恒定恒定 代入可以得到代入可以得到 k1 =kHB 因此，霍尔元件的灵敏度系数因此，霍尔元件的灵敏度系数kH越大，其越大，其k1也越大。也越大。6 UH -B 特性特性当控制电流一定时，霍尔元件的开路输出随磁当控制电流一定时，霍尔元件的开路输出随磁感应强度的增加感应强度的增加并不是完全成线性关系并不是完全成线性关系，只有，只有当当B小于小于 0.5T 时，时， UH B 的线性度才比较好的线性度才比较好。 7 R -B 特性特性R -B特性是指霍尔元件的输入（或特性是指霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场之间的关系
6、，霍输出）电阻与磁场之间的关系，霍尔元件的尔元件的内阻内阻随磁场的绝对值随磁场的绝对值增加增加而增大而增大，这种现象称，这种现象称磁阻效应磁阻效应。 对某种速度运动的电子，若霍尔电对某种速度运动的电子，若霍尔电场作用力场作用力恰好抵消恰好抵消洛伦兹力，洛伦兹力，电子电子沿直线运动沿直线运动；小于此速度小于此速度的电子将的电子将沿霍尔电场作用方向沿霍尔电场作用方向偏转；而偏转；而大于大于此速度此速度的电子将的电子将沿洛伦兹力方向沿洛伦兹力方向偏偏转。转。这种偏转将沿控制电流电场方向的这种偏转将沿控制电流电场方向的电流密度减小电流密度减小，也就是由于磁场的，也就是由于磁场的存在存在增加了元件的内阻
7、增加了元件的内阻。这就是磁。这就是磁阻效应的物理本质。阻效应的物理本质。 8(二二)霍尔元件的误差和补偿霍尔元件的误差和补偿 1.不等电势不等电势U0及补偿及补偿 零位误差零位误差是霍尔元件在不加磁场或不加控制电流时是霍尔元件在不加磁场或不加控制电流时产生的霍尔电压，而产生的霍尔电压，而不等位电势不等位电势U0是主要的零位误是主要的零位误差。不等位电势是由于元件输出极差。不等位电势是由于元件输出极焊接不对称焊接不对称、厚厚薄不均匀薄不均匀以及以及两个输出电极接触不良两个输出电极接触不良等原因造成的。等原因造成的。如下图如下图(a)所示。所示。 9 除工艺上尽量使除工艺上尽量使霍尔电极对称霍尔电
8、极对称来降低来降低U0，还需采用，还需采用补偿补偿电路电路加以补偿。下图给出几种常用的补偿方法。通常在加以补偿。下图给出几种常用的补偿方法。通常在某一桥臂上并上一定电阻而将某一桥臂上并上一定电阻而将U0降到最小，甚至为零。降到最小，甚至为零。102、寄生直流电势、寄生直流电势 当霍尔元件通以当霍尔元件通以交流控制电流交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电势外，还有除了交流不等位电势外，还有一直流电势分量一直流电势分量，称寄生直，称寄生直流电势。流电势。3、感应零电势、感应零电势 霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使不
9、加控制电流不加控制电流，霍尔端也会有霍尔端也会有输出输出，这个输出就是感应零电势。它是由于，这个输出就是感应零电势。它是由于霍尔电极的引线布置不合理霍尔电极的引线布置不合理而造成的。而造成的。4、自激场零电势、自激场零电势 当霍尔元件通以控制电流时，此当霍尔元件通以控制电流时，此电流也会产生磁场电流也会产生磁场，该磁，该磁场称为自激场。场称为自激场。11(二二)霍尔元件的温度误差及其补偿霍尔元件的温度误差及其补偿 由于由于载流子浓度载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内内阻、霍尔电势阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。等也随温度变化而变化。
10、而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。 温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻阻(输入、输出电阻输入、输出电阻)的变化，可以采用适当的补偿电路。的变化，可以采用适当的补偿电路。 (1)采用恒流源供电，输入回路并联电阻进行补偿采用恒流源供电，输入回路并联电阻进行补偿为了减小误差，最好采用恒流源提供控制电流，为了减小误差，最好采用恒流源提供控制电流，但仍有温度误差。但仍有温度误差。设温度设温度t0时，元件灵敏度系数为时，元件灵敏度系数为 ，输入电阻，输入电阻为为 ，而温度上升到
11、，而温度上升到t 时时12t0 时时t 时时因此因此为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证 t0 和和 t 时的霍尔时的霍尔电势相等，即电势相等，即 。则可得。则可得所以所以选择输入回路并联电阻选择输入回路并联电阻RP，可使，可使温度误差减到极小。温度误差减到极小。13(2)利用输出回路的负载进行补偿利用输出回路的负载进行补偿 右图是输出补偿的基本线路。输出电阻及霍尔电压右图是输出补偿的基本线路。输出电阻及霍尔电压与温度之间的关系为与温度之间的关系为 负载负载RL 上的电压上的电压UL 为为补偿电阻补偿电阻RL 上的电压随温度变化最小的极值条件为上的电压随
12、温度变化最小的极值条件为 ，故故 14霍尔位移传感器霍尔位移传感器 霍霍尔尔位位移移传传感感器器可可制制作作成成如如图图(a)所所示示结结构构。在在极极性性相相反反、磁磁场场强强度度相相同同的的两两个个磁磁钢钢的的气气隙隙间间放放置置一一个个霍霍尔尔元元件件。当当控控制制电电流流I恒恒定定不不变变时时，霍霍尔尔电电势势UH与与外外磁磁感感应应强强度度成成正正比比；若若磁磁场场在在一一定定范范围围内内沿沿x方方向向的的变变化化梯梯度度dB/dx，如如图图(b)所所示示为为一一常常数数时时，则则当当霍霍尔尔元元件件沿沿x方方向向移移动动时时，霍霍尔尔电电势势变变化化也也应应是是一一个个常常数数K（
13、位移传感器的输出灵敏度）：（位移传感器的输出灵敏度）：即即UHKx 。这说明霍尔电。这说明霍尔电势与位移量成线性关系。势与位移量成线性关系。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性磁场梯度越均匀，输出线性度越好。度越好。15当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象称为现象称为现象称为现象称为磁阻效应磁阻效应磁阻效应磁阻效应。当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度当
14、温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度B B B B的平方的平方的平方的平方成成成成正比正比正比正比。如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为：来的磁阻效应方程为：来的磁阻效应方程为：来的磁阻效应方程为：第四节第四节 磁敏电阻式传感器磁敏电阻式传感器一、磁敏电阻式传感器一、磁敏电阻式传感器16电阻率的相对变化电阻率的相对变化电阻率的相对变化电阻率的相对变化可以看出可以看出可以看出可以看出 ，在磁
15、感应强度，在磁感应强度，在磁感应强度，在磁感应强度一定一定一定一定时，时，时，时，迁移率越高迁移率越高迁移率越高迁移率越高的的的的材料（如材料（如材料（如材料（如InSbInSbInSbInSb、InAsInAsInAsInAs、NiSbNiSbNiSbNiSb等半导体材料）等半导体材料）等半导体材料）等半导体材料）磁阻效应磁阻效应磁阻效应磁阻效应越明显越明显越明显越明显。从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。径因磁场的作用
16、而加长所致。径因磁场的作用而加长所致。径因磁场的作用而加长所致。17磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性1. 1. 灵敏度特性灵敏度特性灵敏度特性灵敏度特性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即电阻变化率来表示，即
17、电阻变化率来表示，即电阻变化率来表示，即磁场磁场磁场磁场 电阻变化率特性电阻变化率特性电阻变化率特性电阻变化率特性曲线的斜率。曲线的斜率。曲线的斜率。曲线的斜率。182. 2. 电阻电阻电阻电阻 温度特性温度特性温度特性温度特性半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，一般
18、都要设计温度补偿电路。一般都要设计温度补偿电路。一般都要设计温度补偿电路。一般都要设计温度补偿电路。温度（温度（温度（温度（）0 02020150150505040408080100100电阻（电阻（电阻（电阻（）100100606019磁敏二极管的磁敏二极管的磁敏二极管的磁敏二极管的P P P P型和型和型和型和N N N N型电极由高阻材料制成型电极由高阻材料制成型电极由高阻材料制成型电极由高阻材料制成，在，在，在，在P P、N N之之之之间有一个较长的间有一个较长的间有一个较长的间有一个较长的本征区本征区本征区本征区I I I I。本征区。本征区。本征区。本征区I I I I的一面磨成光
19、滑的的一面磨成光滑的的一面磨成光滑的的一面磨成光滑的无复无复无复无复合表面合表面合表面合表面（I I区），另一面打毛，设置成区），另一面打毛，设置成区），另一面打毛，设置成区），另一面打毛，设置成高复合区高复合区高复合区高复合区（r r区区区区) ) ) )。（一）磁敏二极管（一）磁敏二极管（一）磁敏二极管（一）磁敏二极管二、二、 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管1. 1. 磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构 + + （a a）结构）结构）结构）结构 （b b）符号）符号）符号）符号P P+ +N N+ +I I区区区区r r区区区区20当磁敏二极管末
20、受到外界磁场作用时，外加正当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正向偏压后，则有大量的空穴从向偏压后，则有大量的空穴从向偏压后，则有大量的空穴从向偏压后，则有大量的空穴从P P P P区通过区通过区通过区通过I I区进入区进入区进入区进入N N区，同时也有大量电子注入区，同时也有大量电子注入区，同时也有大量电子注入区，同时也有大量电子注入P P区，形成电流。只区，形成电流。只区，形成电流。只区，形成电流。只有少量电子和空穴在有少量电子和空穴在有少量电子和空穴在有少量电子和空穴在I I区复合掉。区复合掉。区复合掉。区
21、复合掉。P P+ +N N+ +I I区区区区r r面面面面2. 2. 磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理 21当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向子和空穴受到洛仑兹力的作用而向子和空穴受到洛仑兹力的作用而向子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r r区区区区偏转偏转偏转偏转，由，由，由，由于于于于r r区的电子和空穴区的电子和空穴区的电子和空穴区的电子和空穴复合速度复合速度复合速度复合速度比光滑面比光滑
22、面比光滑面比光滑面I I区区区区快快快快，因此，形成的电流因复合而减小，因此，形成的电流因复合而减小，因此，形成的电流因复合而减小，因此，形成的电流因复合而减小，电阻增大电阻增大电阻增大电阻增大。P P+ +N N+ +I I区区区区r r面面面面HH+ +22当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向和空穴受到洛仑兹力的作用而向和空穴受到洛仑兹力的作用而向和空穴受到洛仑兹力的作用而向r r区的对面偏移区的对面偏移区的对面偏移区的对面偏移，由于电子和
23、空穴由于电子和空穴由于电子和空穴由于电子和空穴复合率明显变小复合率明显变小复合率明显变小复合率明显变小，因此，因此，因此，因此，电流电流电流电流变大变大变大变大，电阻减小电阻减小电阻减小电阻减小。 P P+ +N N+ +I I区区区区r r面面面面HH- -23利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现化，于是就实现化，于是就实现化，于是就实现磁电转换磁电转换磁电转换磁电转换。 （a a） （b b） （c c）磁敏二极管工作原理示意图磁
24、敏二极管工作原理示意图磁敏二极管工作原理示意图磁敏二极管工作原理示意图P P+ +N N+ +I I区区区区r r面面面面P P+ +N N+ +I I区区区区r r面面面面HH+ +P P+ +N N+ +I I区区区区r r面面面面HH- -24 （三）磁敏二极管的主要特性（三）磁敏二极管的主要特性（三）磁敏二极管的主要特性（三）磁敏二极管的主要特性 1.1.1.1.磁电特性：在给定的条件下，磁敏二极磁电特性：在给定的条件下，磁敏二极磁电特性：在给定的条件下，磁敏二极磁电特性：在给定的条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系。管输出的电压变化与外加磁场的关系。管输出的电压变化与外加
25、磁场的关系。管输出的电压变化与外加磁场的关系。B B / 0.1T/ 0.1T2.02.0-1.0-1.0-2.0-2.00.40.40.80.81.21.21.61.62.02.0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.01.01.0 U U/V/V在弱磁场下在弱磁场下在弱磁场下在弱磁场下(0.1T(0.1T一下一下一下一下) )输出电压与磁场强度成输出电压与磁场强度成输出电压与磁场强度成输出电压与磁场强度成正比，随磁场强度增加，正比，随磁场强度增加，正比，随磁场强度增加，正比，随磁场强度增加，曲线趋于饱和。曲线趋于饱和。曲线趋于饱和。曲线趋于饱和。25
26、2.2.2.2.伏安特性：磁敏二极管正向偏压和通过其电流的关系。伏安特性：磁敏二极管正向偏压和通过其电流的关系。伏安特性：磁敏二极管正向偏压和通过其电流的关系。伏安特性：磁敏二极管正向偏压和通过其电流的关系。不同磁场强度不同磁场强度不同磁场强度不同磁场强度HH作用下，磁敏二极管伏安特性不同作用下，磁敏二极管伏安特性不同作用下，磁敏二极管伏安特性不同作用下，磁敏二极管伏安特性不同当所加偏压一定时，磁场按正方向增加时，二极管电阻当所加偏压一定时，磁场按正方向增加时，二极管电阻当所加偏压一定时，磁场按正方向增加时，二极管电阻当所加偏压一定时，磁场按正方向增加时，二极管电阻增加，电流减小。增加，电流减
27、小。增加，电流减小。增加，电流减小。在同一磁场下，电流越大，输出电压越大。在同一磁场下，电流越大，输出电压越大。在同一磁场下，电流越大，输出电压越大。在同一磁场下，电流越大，输出电压越大。1 13 35 57 79 92 21.51.51 10.50.50 0-0.5-0.5-1-1-1.5-1.5-2-2 U(V)U(V)I(mA)I(mA)263.3.3.3.温度特性：在标准测试条件下，输出电压变温度特性：在标准测试条件下，输出电压变温度特性：在标准测试条件下，输出电压变温度特性：在标准测试条件下，输出电压变化量随温度的变化。化量随温度的变化。化量随温度的变化。化量随温度的变化。温度升高时
28、，电流急增，电压减少，磁灵敏度温度升高时，电流急增，电压减少，磁灵敏度温度升高时，电流急增，电压减少，磁灵敏度温度升高时，电流急增，电压减少，磁灵敏度下降，须采用温度补偿。下降，须采用温度补偿。下降，须采用温度补偿。下降，须采用温度补偿。T T/0 0202040400.20.20.40.40.60.60.80.81.01.0E=E=6V6VB B = 0.1T= 0.1T80806060-20-20-5-5-4-4-3-3-2-2-1-1I I U UI/mAU/V27温度补偿电路温度补偿电路温度补偿电路温度补偿电路R Rm1m1E EU U0 0R Rm2m2R Rt tE EU U0 0
29、R RmmR Rm1m1R Rm2m2R Rm3m3R Rm4m4E EU U0 0常用的补偿电路常用的补偿电路常用的补偿电路常用的补偿电路: :28采用两支性能接近的磁敏二极管，按采用两支性能接近的磁敏二极管，按采用两支性能接近的磁敏二极管，按采用两支性能接近的磁敏二极管，按相反磁极性组相反磁极性组相反磁极性组相反磁极性组合合合合，即将它们的磁敏面相对或背向放置，即将它们的磁敏面相对或背向放置，即将它们的磁敏面相对或背向放置，即将它们的磁敏面相对或背向放置，温度无论温度无论温度无论温度无论如何变化如何变化如何变化如何变化，两管的分压比不会发生变化，两管的分压比不会发生变化，两管的分压比不会发
30、生变化，两管的分压比不会发生变化，输出电压输出电压输出电压输出电压则不随温度变化则不随温度变化则不随温度变化则不随温度变化。同时由于两管互补，当磁场变化时，输出电压变化同时由于两管互补，当磁场变化时，输出电压变化同时由于两管互补，当磁场变化时，输出电压变化同时由于两管互补，当磁场变化时，输出电压变化量增加，能量增加，能量增加，能量增加，能提高灵敏度提高灵敏度提高灵敏度提高灵敏度。R Rm1m1E EU U0 0R Rm2m229不仅能很好的实现不仅能很好的实现不仅能很好的实现不仅能很好的实现温度补偿温度补偿温度补偿温度补偿，提高灵敏度提高灵敏度提高灵敏度提高灵敏度。电路如不平衡，可以适当调整桥
31、臂电阻的大小。电路如不平衡，可以适当调整桥臂电阻的大小。电路如不平衡，可以适当调整桥臂电阻的大小。电路如不平衡，可以适当调整桥臂电阻的大小。30采用两个互补电路并联的方法实现，采用两个互补电路并联的方法实现，采用两个互补电路并联的方法实现，采用两个互补电路并联的方法实现，温度特性、对温度特性、对温度特性、对温度特性、对称性、灵敏度都好称性、灵敏度都好称性、灵敏度都好称性、灵敏度都好，但是需要寻找，但是需要寻找，但是需要寻找，但是需要寻找4 4个性能相近的个性能相近的个性能相近的个性能相近的磁敏二极管。磁敏二极管。磁敏二极管。磁敏二极管。R Rm1m1R Rm2m2R Rm3m3R Rm4m4E
32、 EU U0 0311. 1. 1. 1. 磁敏三极管的结构与工作原理磁敏三极管的结构与工作原理磁敏三极管的结构与工作原理磁敏三极管的结构与工作原理在弱在弱在弱在弱P P P P型本征半导体上用合金法或扩散法形成型本征半导体上用合金法或扩散法形成型本征半导体上用合金法或扩散法形成型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、发射极、发射极、发射极、基极和集电极基极和集电极基极和集电极基极和集电极。基区较长。基区侧面制成一个。基区较长。基区侧面制成一个。基区较长。基区侧面制成一个。基区较长。基区侧面制成一个复合速率复合速率复合速率复合速率很高的复合区很高的复合区很高的复合区很高的复合区r r r r
33、。长基区分为。长基区分为。长基区分为。长基区分为运输基区和复合基区运输基区和复合基区运输基区和复合基区运输基区和复合基区。( (二二) ) 磁敏三极管的工作原理和主要特性磁敏三极管的工作原理和主要特性(a)(a)结构结构结构结构 ( b)( b)符号符号符号符号b bc ce ec cN N+ +e eHH- -HH+ +b bI Ir rN N+ +P P+ +32当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过子有效
34、扩散长度，大部分载流子通过子有效扩散长度，大部分载流子通过子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-be-I-be-I-be-I-b形成基极电形成基极电形成基极电形成基极电流，少数载流子输入流，少数载流子输入流，少数载流子输入流，少数载流子输入到到到到c c c c极。因而形成基极。因而形成基极。因而形成基极。因而形成基极电流大于集电极极电流大于集电极极电流大于集电极极电流大于集电极电流的情况，使电流的情况，使电流的情况，使电流的情况，使l l l l。工作原理工作原理工作原理工作原理: :N N+ +N N+ +e eP P+ +x xI Ir rb bc cy y33 当受到正向磁场当受到正
35、向磁场当受到正向磁场当受到正向磁场(H(H(H(H+ + + +) ) ) )作用时，由于磁场的作用，洛仑作用时，由于磁场的作用，洛仑作用时，由于磁场的作用，洛仑作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，兹力使载流子偏向发射结的一侧，兹力使载流子偏向发射结的一侧，兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著导致集电极电流显著导致集电极电流显著导致集电极电流显著下降下降下降下降，当反向磁场，当反向磁场，当反向磁场，当反向磁场(H(H(H(H- - - -) ) ) )作用时，在作用时，在作用时，在作用时，在H H H H- - - -的作用下，载流子的作用下，载流子的作用下，
36、载流子的作用下，载流子向集电极一侧偏转，向集电极一侧偏转，向集电极一侧偏转，向集电极一侧偏转，使集电汲电流增大使集电汲电流增大使集电汲电流增大使集电汲电流增大。N N+ +N N+ +e eP P+ +x xr rb by yc cI IN N+ +N N+ +e eP P+ +x xI Ir rb bc cHH- -y y34图图图图7-25 7-25 7-25 7-25 磁敏三极管工作原理磁敏三极管工作原理磁敏三极管工作原理磁敏三极管工作原理N N+ +N N+ +e eP P+ +x xI Ir rb bc cy yHH+ +N N+ +N N+ +e eP P+ +x xI Ir rb
37、 bc cHH- -y yN N+ +N N+ +e eP P+ +x xr rb by yc cI I（a） (b) (c)由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电集电集电集电极电流出现明显变化极电流出现明显变化极电流出现明显变化极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测。这样就可以利用磁敏三极管来测。这样就可以利用磁敏三极管来测。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。量弱磁场、电流、转
38、速、位移等物理量。量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。35与普通晶体管的伏安特性曲线类似。由图可知，磁敏三与普通晶体管的伏安特性曲线类似。由图可知，磁敏三与普通晶体管的伏安特性曲线类似。由图可知，磁敏三与普通晶体管的伏安特性曲线类似。由图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于极管的电流放大倍数小于极管的电流放大倍数小于极管的电流放大倍数小于1 1 1 1。(1) (1) 伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性2. 2. 磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性I Ib b=0=0I Ib b=5mA=5mA1.01.00.80.80.60.60.40.40.20.
39、20 02 24 46 68 81010U Ucece/V/VI Ic c/mA/mAI Ib b=4mA=4mAI Ib b=3mA=3mAI Ib b=2mA=2mAI Ib b=1mA=1mAU Ucece/V/VI Ib b=3mA,=3mA,B B=-0.1T=-0.1T1.01.00.80.80.60.60.40.40.20.20 02 24 46 68 81010I Ic c/mA/mAI Ib b=3mA,=3mA,B B=0=0I Ib b=3mA,=3mA,B B=0.1T=0.1T(1)(1)为不受磁场作用时为不受磁场作用时为不受磁场作用时为不受磁场作用时(2)(2)磁场
40、为磁场为磁场为磁场为 1kGs1kGs 基极为基极为基极为基极为3mA3mA36(2) (2) (2) (2) 磁电特性磁电特性磁电特性磁电特性 磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为国产国产国产国产NPNNPNNPNNPN型型型型3BCM3BCM3BCM3BCM( ( ( (锗锗锗锗) ) ) )磁敏三极管磁敏三极管磁敏三极管磁敏三极管的磁电特性，的磁电特性，的磁电特性，的磁电特性，在在在在弱磁场作用下，弱磁场作用下，弱磁场作用下，弱磁场作用下，曲线接近一条直线曲线接近一
41、条直线曲线接近一条直线曲线接近一条直线。-3 -2 -1 1 2 3 4 5-3 -2 -1 1 2 3 4 5B B/0.1T/0.1T I Ic c/mA/mA0.50.50.40.40.30.30.20.20.10.1 图图图图7-27 3BCM 7-27 3BCM 磁敏三极管的磁电特性磁敏三极管的磁电特性磁敏三极管的磁电特性磁敏三极管的磁电特性 37(3) (3) (3) (3) 温度特性及其补偿温度特性及其补偿温度特性及其补偿温度特性及其补偿 磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行磁敏三极管对温度比较敏
42、感，使用时必须进行温度补偿。对于锗磁敏三极管如温度补偿。对于锗磁敏三极管如温度补偿。对于锗磁敏三极管如温度补偿。对于锗磁敏三极管如3ACM3ACM3ACM3ACM、3BCM3BCM3BCM3BCM，其磁灵，其磁灵，其磁灵，其磁灵敏度的温度系数为敏度的温度系数为敏度的温度系数为敏度的温度系数为0.80.80.80.8/ / / /0 0 0 0C C C C；硅磁敏三极管；硅磁敏三极管；硅磁敏三极管；硅磁敏三极管(3CCM)(3CCM)(3CCM)(3CCM)磁磁磁磁灵敏度的温度系数为灵敏度的温度系数为灵敏度的温度系数为灵敏度的温度系数为-0.6-0.6-0.6-0.6/ / / /0 0 0
43、0C C C C 。因此，实际使用时因此，实际使用时因此，实际使用时因此，实际使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿。必须对磁敏三极管进行温度补偿。必须对磁敏三极管进行温度补偿。必须对磁敏三极管进行温度补偿。 38具体补偿电路如图所示。具体补偿电路如图所示。具体补偿电路如图所示。具体补偿电路如图所示。当温度升高时，当温度升高时，当温度升高时，当温度升高时，V V1 1管集管集管集管集电极电流电极电流电极电流电极电流I IC C增加导致增加导致增加导致增加导致V Vmm管的集电极电流也增管的集电极电流也增管的集电极电流也增管的集电极电流也增加，从而补偿了加，从而补偿了加，从而补偿了加，从而补偿了V
44、Vmm管因管因管因管因温度升高而导致温度升高而导致温度升高而导致温度升高而导致I IC C 的下降。的下降。的下降。的下降。对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系数的数的数的数的普通硅三极管普通硅三极管普通硅三极管普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的来补偿因温度而产生的集电极电流的来补偿因温度而产生的集电极电流的来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。漂移。漂移。漂移。E EC CR R1 1AAmAmAV V1 1V VmmR Re
45、eR R2 2补偿电路补偿电路补偿电路补偿电路(a) (a) 39利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性，使其利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性，使其利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性，使其利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性，使其作为硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，可补偿作为硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，可补偿作为硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，可补偿作为硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，可补偿硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降。硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降。硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降。硅磁敏三极管
46、的负温度漂移系数所引起的电流下降。WWV VmmU U0 0E EC C补偿电路补偿电路补偿电路补偿电路( b) ( b) 40下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成的差动电路。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能成的差动电路。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能成的差动电路。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能成的差动电路。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。实现温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。实现温度补偿
47、，它是一种行之有效的温度补偿电路。实现温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。U U0 0WW1 1R RL LV Vm1m1V Vm2m2E EC CWW2 2R RL LR Re e补偿电路补偿电路补偿电路补偿电路 ( c)( c)41作业：作业： P105 思考题思考题642霍尔元件的测量电路霍尔元件的测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图（霍尔元件的基本测量电路如图（a）所示。为了获得）所示。为了获得更大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。更大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。图（图（b）为直流供电情况。图（）为直流供电情况。图（c）为交流供电情况。）为交流供电情况。43 刚才的发言，如刚才的发言，如有不当之处请多指有不当之处请多指正。谢谢大家！正。谢谢大家！44
