半导体磁敏元件

1、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1.1霍尔效应 半导体的磁敏效应是指半导体在电场和磁场作用下表现出来的霍尔效应、磁阻效应、热磁效应和光磁电效应等。qvBfLwqVqEfHHE/洛仑兹力:电场力:wqVqvBH/当达到动态平衡时dIBRVHHRH霍耳系数，由载流材料物理性质决定;wdNqVIxnqdBIVHnqRH1沈 阳 工 业 大 学1.2 霍尔系数金属材料：电子很高，但很小；绝缘材料：很高，但很小； 为获得较强霍耳效应，霍耳片大多采用半导体材料

2、制成；由于电子迁移率比空穴大，一般采用N型材料。型）（型）（PqpRNqnRHH11设 KH=RH / d KH乘积灵敏度。与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。VH KH I B若B方向与霍耳器件平面法线夹角为时，霍耳电势为： VH KH I B cos 注：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。沈 阳 工 业 大 学A，B 为控制电流端子，C，D 为霍尔电压输出端子，称这种结构为霍尔片，在霍尔片上焊引出线，外面封装上非磁性金属、陶瓷或环氧树脂等外壳即成为霍尔元件，在C

3、、D 两输出端子输出霍尔电压。2 霍尔元件2.1霍尔元件结构dBIRVcHH2.2 霍尔角 霍尔元件电场E 和电流密度Jn不在同一方向，它们间夹角H称为霍尔角tanH=Ey/Ex沈 阳 工 业 大 学 霍尔片的几何尺寸对电场和霍尔电压有影响，电流控制电极对霍尔电压存在短路作用。另外，几何形状也影响了霍尔电压和内阻的大小。驱动方式2 霍尔元件VH=RHICB/d 恒流驱动： VH=(W/L)VinnB恒压驱动： VH（x=0）= VH（x=L）=0 VH=（RHICB/d）f(L/W, H)考虑影响后改写为：f(L/W, H)称为形状效应系数霍尔元件时通常选择L/W2。沈 阳 工 业 大 学2

4、霍尔元件分立元件型和集成电路型在分立元件型中，由于材料和制造工艺的不同，分为单晶型和薄膜型。 单晶型霍尔元件工艺硅、锗、砷化镓和锑化铟等材料：氧化、腐蚀、光刻、扩散、制作电极、焊接引线、涂保护层、中测和封装等。 高阻率的单晶，直接制作欧姆接触良好的电极比较困难。采用多种金属合金方法降低接触点整流效应和接触电阻，通常在浓磷N+接触孔上镀一层金属镍，高温处理后使镍扩散到N+区。再镀一层金属作为引线焊接点，形成良好的欧姆接触。平面工艺：合金化工艺：沈 阳 工 业 大 学（4）阴极溅射多晶InSb，在基片上形成多晶InSb薄膜。2 霍尔元件 薄膜霍尔元件工艺材料： InSb薄膜工艺：（1）用两个蒸发源

5、分别蒸发In和Sb，在基片上形成多晶InSb薄膜；（2）将InSb粉末撒在高温蒸发源上，在基片上形成多晶InSb薄膜；（3）用蒸发源蒸发InSb，在蒸发源和基片之间安装一个离子化电源，使蒸发的InSb分子或分子团变成离子或离子团，然后沉积到基片上形成多晶InSb薄膜;沈 阳 工 业 大 学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

6、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它的热阻。= VH/T= R/T沈 阳 工 业 大 学2.7 霍尔元件的补偿技术2 霍尔元

7、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A 温度补偿VH=RHICB/d温度升到T时，电路中各参数变为 )1 (0TRRii)1 (0TRRPPsiPPIRRRI00020温度为T0时SiPPsiPpITRTRTRIRRRI)1 ()1 ()1 (0002分流电阻温

8、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BIKUBIKUHHHH220002200IKIKHHSiPPHsiPPHITRTRTRTKIRRRK)1 ()1 ()1 ()1 (00000000经整理，忽略 高次项后得 2T00iPRR2 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00)(Rr2 霍尔元件A 温度补偿温度为T0时BrREKBIKUHHH000000BrtRtEKtIBKUHHH000)1 ()1 ()1 (HHUU0温度为T时)()(00Rr教材上，未考虑r0的温

9、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KdxdBIKdxdVHH3.1霍尔位移传感器注：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

10、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IBdt3 霍尔元件的应用3.4霍尔电流传感器直接检测式（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，

11、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 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。20B与B与0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

12、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)1)(200HBBgtgRR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)(00GtgLWRRHBB在中等磁场时，磁阻比RB/R0为)001)(HBBNgtgRR式中，2N1。 电流以螺旋状路径流出电极， 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)(a)沈 阳 工 业 大 学4 磁阻元件)1(20BmRRtB在弱磁场时，它的磁阻比： 在强磁场时，磁阻比：)(000BRLWGRRHBBB

13、dRGRRHBB00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，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

14、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InSb和InAs。 短路条尺寸的确定WLn1 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

15、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0.1T0.1T后呈现线性变化后呈现线性变化4 磁阻元件4.5磁阻元件特性注: 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 学由悬臂板簧、配重、磁钢及元件和阻尼油密封在一起组成沈

16、 阳 工 业 大 学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。 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 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 伏安特性（1）电压相对磁灵敏度SV%10000BVVVS

17、BV测试条件为: B=0.1T，I=3mA。 磁电特性沈 阳 工 业 大 学VRVRSSLlimIRIRSSL0limTBIIISBRI/%10000（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TBVVVSBRV/%10000%10000BIIISBI沈 阳 工 业 大 学包括伏安特性、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。 选择2只或4只特性接近的管子，

18、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沈 阳 工 业 大 学 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（1）伏安特性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dTdIIccI1BbbITIIT11（3）磁灵敏度dBdIIScBcBB1BBIIBIBIIcdBdIIcSBBbbBbbBBBbBB11)(11SSSbB负温度系数正温度系数沈 阳 工 业 大 学 磁