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文档简介
半导体磁敏元件及传感器本次课内容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1.半导体的磁敏效应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。洛仑兹力:电场力:当达到动态平衡时RH—霍耳系数,由载流材料物理性质决定;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、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2.2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θH称为霍尔角tanθH=Ey/Ex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。2.3霍尔元件驱动方式2霍尔元件VH=RHICB/d恒流驱动:VH=(W/L)VinμnB恒压驱动:2.4形状系数VH(x=0)=VH(x=L)=0VH=(RHICB/d)f(L/W,θH)考虑影响后改写为:f(L/W,θH)称为形状效应系数霍尔元件时通常选择L/W>2。2.5制造工艺2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:2.6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;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SHSH=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。α=VH/△Tβ=R/△T2.6主要参数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A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;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。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3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=μI/2πr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。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,2>N>1。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)
B(a)B=04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RB与B成正比关系。mt为磁阻平方系数;在L>W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;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。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后呈现线性变化温度(℃)020150504080100电阻(Ω)10060灵敏度特性4磁阻元件4.5磁阻元件特性温度特性注:半导体磁阻元件的温度特性不好,通常需要补偿。5磁阻元件的应用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6.1结构和工作原理6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6磁敏二极管6.2磁敏二极管的特性参数伏安特性磁灵敏度(1)电压相对磁灵敏度SV测试条件为:B=±0.1T,I=3mA。磁电特性6磁敏二极管磁灵敏度(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=2kΩ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RL→0时,相当于恒压源条件下电流相对灵敏度,即温度特性6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。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用磁敏二极管组成的差动位移传感器6.3磁敏二极管的应用6磁敏二极管7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-7.3磁敏三极管的特性参数(1)伏安特性7磁敏三极管B/0.1TΔIc/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(4)温度特性7磁敏三极管(3)磁灵敏度负温度系数正温度系数7磁敏三极管7.4磁敏三极管的温度补偿技术磁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8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8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8磁敏集成电路特性参数(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ΔB导通磁感应强度与截止磁感应强度的差值称为磁滞回
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