半導(dǎo)體磁敏元件

半導(dǎo)體磁敏元件第1頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本次課內(nèi)容1.半導(dǎo)體的磁敏效應(yīng)2.霍爾元件3霍爾元件的應(yīng)用4磁阻元件5磁阻元件的應(yīng)用6磁敏二極管7磁敏三極管8磁敏集成電路第2頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.半導(dǎo)體的磁敏效應(yīng)1.1霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體的磁敏效應(yīng)是指半導(dǎo)體在電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)出來(lái)的霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱磁效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。洛侖茲力:電場(chǎng)力:當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)RH—霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定;第3頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.半導(dǎo)體的磁敏效應(yīng)1.2霍爾系數(shù)金屬材料：電子μ很高，但ρ很小；絕緣材料：ρ很高，但μ很??；為獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳片大多采用半導(dǎo)體材料制成；由于電子遷移率比空穴大，一般采用N型材料。設(shè)KH=RH/d

KH—乘積靈敏度。與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍耳電勢(shì)的大小。VH＝KH

IB若B方向與霍耳器件平面法線夾角為θ時(shí)，霍耳電勢(shì)為：

VH＝KHIBcosθ

注：當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出霍耳電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍耳電勢(shì)并不改變方向。第4頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一A，B為控制電流端子，C，D為霍爾電壓輸出端子，稱這種結(jié)構(gòu)為霍爾片，在霍爾片上焊引出線，外面封裝上非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂等外殼即成為霍爾元件，在C、D兩輸出端子輸出霍爾電壓。2霍爾元件2.1霍爾元件結(jié)構(gòu)2.2霍爾角

霍爾元件電場(chǎng)E和電流密度Jn不在同一方向，它們間夾角θH稱為霍爾角tanθH=Ey/Ex第5頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一霍爾片的幾何尺寸對(duì)電場(chǎng)和霍爾電壓有影響，電流控制電極對(duì)霍爾電壓存在短路作用。另外，幾何形狀也影響了霍爾電壓和內(nèi)阻的大小。2.3霍爾元件驅(qū)動(dòng)方式2霍爾元件VH=RHICB/d恒流驅(qū)動(dòng)：VH=(W/L)VinμnB恒壓驅(qū)動(dòng)：2.4形狀系數(shù)VH（x=0）=VH（x=L）=0VH=（RHICB/d）f(L/W,θH)考慮影響后改寫為：f(L/W,θH)稱為形狀效應(yīng)系數(shù)霍爾元件時(shí)通常選擇L/W＞2。第6頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5制造工藝2霍爾元件分立元件型和集成電路型在分立元件型中，由于材料和制造工藝的不同，分為單晶型和薄膜型。單晶型霍爾元件工藝硅、鍺、砷化鎵和銻化銦等材料：氧化、腐蝕、光刻、擴(kuò)散、制作電極、焊接引線、涂保護(hù)層、中測(cè)和封裝等。高阻率的單晶，直接制作歐姆接觸良好的電極比較困難。采用多種金屬合金方法降低接觸點(diǎn)整流效應(yīng)和接觸電阻，通常在濃磷N+接觸孔上鍍一層金屬鎳，高溫處理后使鎳擴(kuò)散到N+區(qū)。再鍍一層金屬作為引線焊接點(diǎn)，形成良好的歐姆接觸。平面工藝：合金化工藝：第7頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（4）陰極濺射多晶InSb，在基片上形成多晶InSb薄膜。2霍爾元件

薄膜霍爾元件工藝材料：InSb薄膜工藝：（1）用兩個(gè)蒸發(fā)源分別蒸發(fā)In和Sb，在基片上形成多晶InSb薄膜；（2）將InSb粉末撒在高溫蒸發(fā)源上，在基片上形成多晶InSb薄膜；（3）用蒸發(fā)源蒸發(fā)InSb，在蒸發(fā)源和基片之間安裝一個(gè)離子化電源，使蒸發(fā)的InSb分子或分子團(tuán)變成離子或離子團(tuán)，然后沉積到基片上形成多晶InSb薄膜;第8頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.6主要參數(shù)2霍爾元件（1）輸入電阻Rin在規(guī)定條件下（一般B=0,Ic=0.1mA）控制（激勵(lì)）電流兩個(gè)電極之間的電阻。（2）輸出電阻Rout在規(guī)定條件下（一般B=0,Ic=0.1mA），無(wú)負(fù)載情況時(shí)兩個(gè)輸出電極之間的電阻。（3）額定控制電流IC在B=0時(shí)，環(huán)境溫度為25℃的條件下，霍爾元件由焦耳熱引起的溫度升高10℃時(shí)，所通過的控制電流IC。（4）最大允許控制電流ICM霍爾元件在最高允許使用溫度下的允許最大控制電流。一般元件Tj=80℃。（5）不等位電勢(shì)VM額定控制電流作用下，無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，輸出（霍爾）電極間的開路電壓不為零；第9頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2霍爾元件（6）不等位電阻RM不等位電勢(shì)VM與控制電流IC之比；（7）磁靈敏度SBSB=VH/B（8）乘積靈敏度SHSH=VH/ICB=RH/d（9）霍爾電壓溫度系數(shù)（10）內(nèi)阻溫度系數(shù)（11）熱阻Rth霍爾元件工作時(shí)功耗每增加1W，霍爾元件升高的溫度值稱為它的熱阻。α=VH/△Tβ=R/△T2.6主要參數(shù)第10頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.7霍爾元件的補(bǔ)償技術(shù)2霍爾元件造成測(cè)量誤差的主要原因半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都是隨溫度變化而變化的?；魻栐男阅軈?shù)，如內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)等也將隨溫度變化而變化。（2）制造工藝的缺陷表現(xiàn)形式：（2）零點(diǎn)誤差（1）溫度變化引起的誤差霍爾元件的補(bǔ)償（2）零點(diǎn)補(bǔ)償（1）溫度補(bǔ)償（1）半導(dǎo)體的固有特性第11頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒流源并聯(lián)電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償2霍爾元件霍爾元件的補(bǔ)償技術(shù)A溫度補(bǔ)償VH=RHICB/d溫度升到T時(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)?/p>

溫度為T0時(shí)分流電阻溫度系數(shù);輸入電阻溫度系數(shù)；第12頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一升溫前、后的霍爾電勢(shì)不變經(jīng)整理，忽略高次項(xiàng)后得

2霍爾元件恒流源并聯(lián)電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償A溫度補(bǔ)償?shù)?3頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒壓源進(jìn)行溫度補(bǔ)償2霍爾元件A溫度補(bǔ)償溫度為T0時(shí)溫度為T時(shí)教材上，未考慮r0的溫度系數(shù);第14頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一B霍爾元件不等位電勢(shì)的補(bǔ)償2霍爾元件對(duì)不等位電勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償，采用電橋平衡原理。根據(jù)A，B兩點(diǎn)電位高低，判斷哪一橋臂電阻較大，就在這一橋臂上并聯(lián)一個(gè)電阻使橋路平衡，消除不等位電勢(shì)。第15頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3霍爾元件的應(yīng)用磁場(chǎng)變化曲線3.1霍爾位移傳感器注：霍爾電壓與位移量x成線性關(guān)系，同時(shí)霍爾電壓的極性反映了位移的方向。VH=Kx磁感應(yīng)強(qiáng)度的梯度越大，靈敏度越高；磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性越良好?；诨魻栃?yīng)制成的位移傳感器一般用來(lái)測(cè)量1~2mm的小位移，特點(diǎn)：慣性小，響應(yīng)速度快。第16頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器3霍爾元件的應(yīng)用被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng),固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖,檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù),可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。3.3霍爾式加速度傳感器第17頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3霍爾元件的應(yīng)用3.4霍爾電流傳感器直接檢測(cè)式（也稱磁強(qiáng)計(jì)式）和磁平衡式安培環(huán)路定律B=μI/2πr當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。第18頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3霍爾元件的應(yīng)用3.5霍爾元件的基本電路

霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實(shí)際應(yīng)用中，可將幾個(gè)霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運(yùn)算放大器放大，以獲得較大的UH。基本電路第19頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.1磁阻效應(yīng)

電流和磁場(chǎng)作用以及形狀和尺寸不同引起半導(dǎo)體的電阻變化的現(xiàn)象稱半導(dǎo)體磁阻效應(yīng)，前者稱物理磁阻效應(yīng)，后者稱幾何磁阻效應(yīng)。4磁阻元件4.2物理磁阻效應(yīng)外磁場(chǎng)與外電場(chǎng)的方向是垂直的，稱為橫向磁阻效應(yīng)。

載流子運(yùn)動(dòng)軌跡注：在弱磁場(chǎng)時(shí)，成正比；在強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，成正比在磁場(chǎng)無(wú)限大時(shí)，電阻率趨于飽和。第20頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.3幾何磁阻效應(yīng)4磁阻元件相同磁場(chǎng)和控制電流作用時(shí)，由于半導(dǎo)體的幾何形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)的不同而出現(xiàn)電阻率變化不同的現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應(yīng)。扁條形樣品電流分布長(zhǎng)方形樣品電流分布在弱磁場(chǎng)時(shí)，磁阻比RB/R0為式中，g為樣品的形狀系數(shù)注：L/W值越小，g值越大磁阻效應(yīng)越顯著。形狀系數(shù)與L/W關(guān)系第21頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一科比諾圓盤4.3幾何磁阻效應(yīng)4磁阻元件形狀系數(shù)與L/W關(guān)系在強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，磁阻比RB/R0為在中等磁場(chǎng)時(shí)，磁阻比RB/R0為式中，2>N>1。電流以螺旋狀路徑流出電極，電流路徑拉長(zhǎng)，電阻顯著增大。圓盤狀樣品電流分布示意圖(b)

B(a)B=0第22頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4磁阻元件長(zhǎng)方形磁阻元件在弱磁場(chǎng)時(shí)，它的磁阻比：在強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，磁阻比：若物理磁阻效應(yīng)不顯著，則強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，磁敏電阻值ＲＢ與Ｂ成正比關(guān)系。mt為磁阻平方系數(shù)；在L＞W(wǎng)的長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片上面沉積許多等間距的金屬短路條（即柵格），以短路霍爾電壓。柵格型磁阻元件柵格型磁阻元件基于物理磁阻效應(yīng)工作；第23頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.4磁阻元件的特性參數(shù)規(guī)定條件下（一般B=0,Ic=0.1mA）（1）全電阻在規(guī)定條件下，不加磁場(chǎng)時(shí)單個(gè)磁阻元件或由它組成的半橋或全橋電阻值，也稱為零磁感強(qiáng)度電阻值。4磁阻元件（2）磁阻系數(shù)在規(guī)定磁感應(yīng)強(qiáng)度（0.1-0.3T）下，單位磁感應(yīng)強(qiáng)度引起的電阻變化量與零磁感應(yīng)強(qiáng)度下的電阻值之比。（3）磁阻比在規(guī)定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻值與零磁感應(yīng)強(qiáng)度下電阻值之比。（4）磁靈敏度在規(guī)定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，單位磁感應(yīng)強(qiáng)度引起磁敏電阻值的變化量。（5）磁線性靈敏度（6）磁阻平方靈敏度（7）最大輸入電壓（8）輸出電壓（9）溫度系數(shù)（10）熱阻（11）工作溫度范圍（12）線性誤差（13）平方律誤差第24頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一制造：?jiǎn)尉Х?、薄膜法和共晶材料法。共晶材料?.5磁阻元件的制造工藝4磁阻元件材料選擇：要求電子遷移率大，滿足條件有InSb和InAs。短路條尺寸的確定由InSb和NiSb晶體共同組成。單晶磁阻元件制造將單晶切割成厚度為0.5-1mm的晶片，拋光后，貼在襯底上，拋光減薄后，達(dá)到10-30微米，制作短路條和歐姆電極。針狀代替短路條薄膜型磁阻元件制造襯底材料：選用陶瓷、微晶玻璃或鐵氧體材料，前2者，為提高靈敏度，在襯底另一面貼純鐵集束片。第25頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一15RBR0105溫度(25℃)弱磁場(chǎng)下呈平方特性變化強(qiáng)場(chǎng)下呈直線特性變化0電阻變化率特性0.20.40.60.81.01.21.4B/T在0.1T以下的弱磁場(chǎng)中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化溫度（℃）020150504080100電阻（Ω）10060靈敏度特性4磁阻元件4.5磁阻元件特性溫度特性注:半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好,通常需要補(bǔ)償。第26頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5磁阻元件的應(yīng)用傾斜角傳感器由懸臂板簧、配重、磁鋼及元件和阻尼油密封在一起組成第27頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6磁敏二極管電特性隨外界磁場(chǎng)變化而變化的一種二極管，利用磁阻效應(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換。6.1結(jié)構(gòu)和工作原理磁敏二極管是P＋-I-N＋二極管，有很長(zhǎng)的基區(qū)，又稱為長(zhǎng)基區(qū)二極管。基區(qū)長(zhǎng)度L應(yīng)大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。在施加正向偏壓時(shí)，P＋I(xiàn)結(jié)向基區(qū)注入空穴，IN＋結(jié)向基區(qū)注入電子，又稱為雙注入長(zhǎng)二極管。磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)(a)結(jié)構(gòu);(b)電路符號(hào)第28頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6.1結(jié)構(gòu)和工作原理6磁敏二極管隨著磁場(chǎng)方向和大小的變化，可引起I區(qū)電阻變化，從而引起磁敏二極管電流大小的變化。P+N+P+N+H=H+H=H-磁敏二極管中載流子受磁場(chǎng)影響示意圖P+N+H=0高復(fù)合的r區(qū)第29頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6磁敏二極管6.2磁敏二極管的特性參數(shù)伏安特性磁靈敏度（1）電壓相對(duì)磁靈敏度SV測(cè)試條件為:B=±0.1T，I=3mA。磁電特性第30頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6磁敏二極管磁靈敏度（2）電流相對(duì)磁靈敏度SI測(cè)試條件:B=±0.1T，鍺磁敏二極管偏壓V=6V，硅磁敏二極管偏壓V=8V。（3）實(shí)用測(cè)試方法測(cè)試條件一般為E=9V，RL=2kΩ當(dāng)RL→∞時(shí)相當(dāng)于恒流源條件下測(cè)試的電壓相對(duì)靈敏度，即同理，當(dāng)RL→0時(shí)，相當(dāng)于恒壓源條件下電流相對(duì)靈敏度，即第31頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一溫度特性6磁敏二極管包括伏安特性、零磁場(chǎng)輸出電壓V0和電壓磁靈敏度隨溫度變化而變化的特性。磁敏二極管的溫度補(bǔ)償選擇2只或4只特性接近的管子，按互為相反的磁敏感性進(jìn)行組合。磁敏二極管溫度補(bǔ)償電路第32頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一用磁敏二極管組成的差動(dòng)位移傳感器6.3磁敏二極管的應(yīng)用6磁敏二極管第33頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7磁敏三極管按材料分硅磁敏三極管和鍺磁敏三極管按結(jié)構(gòu)分為NPN型和PNP型磁敏三極管7.1結(jié)構(gòu)和符號(hào)NPN磁敏三極管基本結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)7.2工作原理三極管的磁敏效應(yīng)是由集電極電流IC的變化來(lái)反映。基區(qū)大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分在基區(qū)與基極注入空穴復(fù)合形成基極電流Ib。（A）B=0基區(qū)復(fù)合部分減少，使集電極電流明顯增大。（B）B+增大了基區(qū)復(fù)合部分，集電極電流明顯下降。（C）B-第34頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7.3磁敏三極管的特性參數(shù)（1）伏安特性7磁敏三極管B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-33BCM磁敏三極管磁電特性

在弱磁場(chǎng)作用時(shí)，曲線近似于一條直線。（2）磁電特性磁敏三極管伏安特性第35頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（4）溫度特性7磁敏三極管（3）磁靈敏度負(fù)溫度系數(shù)正溫度系數(shù)第36頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7磁敏三極管7.4磁敏三極管的溫度補(bǔ)償技術(shù)磁敏三極管的集電極電流IC和磁靈敏度SB都隨溫度的變化而變化，要使之穩(wěn)定地工作，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。磁敏三極管的溫度補(bǔ)償電路鍺磁敏三極管