半导体磁敏元.ppt
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;,1.半导体的磁敏效应,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制成；由于电子迁移率比空穴大，一般采用N型材料。,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。,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H称为霍尔角,tanH=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)VinnB,恒压驱动：,2.4 形状系数,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。,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：,（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;,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SB,SB=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,2.6 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,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,A 温度补偿,VH=RHICB/d,温度升到T时，电路中各参数变为,温度为T0时,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 霍尔元件的应用,磁场变化曲线,3.1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。,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=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。,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,4.1 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,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。,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，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。,4 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。,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；,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,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。,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 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 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,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,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=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,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。,7.3磁敏三极管的特性参数,（1）伏安特性,7 磁敏三极管,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,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,
