半导体传感器2010-4.2

§4.2磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件，它们都属于结型半导体磁敏器件的范畴，其电特性随外部磁场的改变有显著的变化。这两种磁敏器件具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视，并在检测、控制等方面得到普遍应用。4.2.1磁敏二极管的工作原理和主要特性1．磁敏二极管的结构磁敏二极管是利用“磁阻效应”进行磁电转换的，常用本征半导体材料，一般有有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，而磁敏二级管则属长基区二极管，是p-i-n型结构，其中i为本征或接近本征的半导体高阻材料，它的长度大于载流子的扩散长度（如一般锗磁敏二级管用ρ=40Ω•cm左右的P型或N型单晶做基区，锗本征半导体的ρ=50Ω•cm)；两端分别是高掺杂的P型和N型区域，如果近本征区是弱n型的，称p-υ-n，如果是弱p型的称p-π-n。+++++++（b）磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构;(b)电路符号H+H-N+区p+区i区r区电流（a）在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区（i）区的一个侧面上，设置高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。PNPNPNH=0H+H-→→→←←←电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。为什么磁敏二极管会有这种特性呢?下面作一下分析。⒉磁敏二极管的工作原理当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，流过二极管的电流iii电子空穴复合区在普通二极管中加上正向偏压V+后，V+=Vi+Vp+Vn，其中Vi为i区压降，Vp、Vn分别为p-i、i-n结的压降。在无外磁场时，在外电场的作用下，大部分空穴由p区向i区注入，而电子则由n区向i区注入，即双注入长基区二极管，注入i区的电子和空穴数基本是相等的，除少数载流子在体内复合掉之外，大多数分别到达对面的n和p区，形成流过器件的总电流I=Ip+In。当受到正向磁场作用时，电子和空穴由于受到洛仑兹力的作用均向r区偏转，r区是高复合区，进入该区的电子和空穴迅速被复合掉，因而i区的载流子密度减少，等效于i区的电阻增加，则Vi增加而Vp、Vn相应减少，使流入i区的载流子密度进一步减少，i区电阻进一步增加直到某一稳定值为止，如图b。相反，磁场改变方向，电子和空穴将向r区的对面-无复合区流动，使载流子复合减少，相当于i区载流子密度增加，电阻减小，Vi减少而Vp、Vn相应增加，从而流入i区的载流子数增加形成电流的正反馈作用，电流增大直到某一稳定值为止如图c。结论：随着磁场大小和方向的变化，磁敏二极管可产生正负输出电压的变化，特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。并且，若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。综上，当存在磁场时，由于受洛仑兹力的影响，载流子的偏转使高复合区对电流产生影响。而载流子运动轨迹的改变和行程的增加，取决于洛仑兹力的大小，而洛仑兹力的大小又与电场和磁场乘积成正比，由此可见，随着磁场方向和大小的变化，可产生正、负输出电压的变化，这就是磁敏二极管的工作原理。磁敏二极管反向偏置时，则在r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关，可忽略不计。⒊磁敏二极管的主要特征（1）伏安特性在给定磁场情况下，磁敏二极管两端的正向偏压和通过它的电流的关系曲线。-0.200.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T（a）-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4（b）-0.100.10.40.30.2-0.3（c）磁敏二极管伏安特性曲线（a）锗磁敏二极管（b）、（c）硅二极管-0.1T-0.15T-0.2T由图a可以看出：①输出电压一定时，磁场为正，随着磁场增加电流减小，表示磁阻增加；磁场为负时，随着磁场向负方向增加，电流增加，表示磁阻减小；②在同一磁场下，电流越大，输出电压变化量也越大。对于硅磁敏二极管，伏安特性有两种形式：一种如图b所示，开始在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种如图c所示，硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻现象，即电流急增的同时，有偏压突然跌落的现象。产生负阻现象的原因是高阻硅的热平衡载流子较少，注入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开始急增，同时i区压降减少，表现为负阻特性。（2）磁电特性在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。磁敏二极管的磁电特性曲线（a）单个使用时（b）互补使用时B/0.1T1.02.03.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.03kΩREE=12V（18V）Td=20℃abΔU/VΔU/V下图给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。从两图中可以看出:a.单个磁敏二极管使用时,正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度;若互补使用时,正反向磁灵敏度基本对称。b当磁场强度增加到很大时，灵敏度有趋于饱和的趋势；但在弱磁场时，磁敏二极管仍有良好的线性。（3）温度特性温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量（或无磁场作用时中点电压）随温度变化的规律，如下图所示，可见磁敏二极管受温度的影响较大。uΔU/VT/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I磁敏二极管温度特性曲线(单个使用时)ΔU反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下，u0的温度系数小于＋20mV/℃，的温度系数小于0.6%/℃；而锗磁敏二极管u0的温度系数小于-60mV／℃，的温度系数小于1.5%/℃。所以，规定硅管的使用温度为-40～+85℃，而锗管则现定为-40～＋65℃。uu（4）频率特性硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于1，即响应频率高达1MHz。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz。sdB0.1-12-9-6-301010.01图2.6-32锗磁敏三极管频率特性f/kHz（5）磁灵敏度磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：（a）在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度（hu），即：u0—磁场强度为零时，二极管两端的电压；uB—磁场强度为B时，二极管两端的电压。(b)在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度（hi），即：%10000uuuhBu%10000IIIhBi(c)在给定电压源E和负载电阻R的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：应特别注意，如果使用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。%10000uuuhBRu%10000IIIhBRI4.2.2磁敏三极管的工作原理和主要特性1．磁敏三极管的结构与原理（1）磁敏三极管的结构NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结——即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元件，如图。在长基区的侧面制成一个复合速率图2.6-33NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构b)符号rN+N+ceH-H+P+bceba）b）很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部分。i（2）磁敏三极管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）图2.6-34磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=H-;(c)H=H+1-运输基区；2-复合基区12当不受磁场作用如图(a)时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过e—i—b而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数β=Ic／Ib＜1。当受到H-磁场作用如图（b）时，由于洛仑兹力作用，载流子向复合基区一侧偏转，从而使集电极电流Ic明显下降。磁场越大，这种偏转越明显，集电极电流下降的也越多。当受H+磁场使用如图(c)时，载流子在洛仑兹力作用下，向输运基区一侧偏转，使集电极电流Ic增大，并随磁场强度的增强这种偏转也会增强。综上：当磁场B的方向和大小改变时，集电极电流Ic也会随之发生不同的改变。/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mAB+=－0.1TIb=3mAB=0Ib=3mAB—=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA磁敏三极管伏安特性曲线2．磁敏三极管的主要特性（1）伏安特性图（b）给出了磁敏三极管在基极恒流条件下（Ib=3mA）、磁场为0.1T时的集电极电流的变化；图(a)则为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。（2）磁电特性磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如下图所示。B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-33BCM磁敏三极管电磁特性由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。(3)温度特性磁敏三极管对温度也是敏感的。3ACM、3BCM锗磁敏三极管的温度系数为0.8％／℃；3CCM硅磁敏三极管的温度系数为-0.6％／℃。3BCM的温度特性曲线如图所示。3BCM磁敏三极管的温度特性(a)基极电源恒压(b)基极恒流(a)-20020401.20.80.41.660B=0B=－0.1TB=0.1TT/℃基极电源恒压Vb=5.7VIC/mA基极恒流Ib=2mAB=01.20.80.4-20020401.680B=－0.1TB=0.1TT/℃(b)IC/mA温度系数有两种：一种是静态集电极电流Ic0的温度系数；一种是磁灵敏度的温度系数。在使用温度t1～t2范围Ic0的改变量与常温（比如25℃）时的Ic0之比，平均每度的相对变化量被定义为Ic0的温度系数Ic0CT，即：同样，在使用温度t1～t2范围内，的改变量与25℃时的值之比，平均每度的相对变化量被定义为的温度系数：hhhh%10025)(12010200ttCItItIIcccCTc%100)25(1212ttChththhCTCTh对于3BCM磁敏三极管，当采用补偿措施时，其正向灵敏度受温度影响不大，而负向灵敏度受温度影响比较大，主要表现为有相当大一部分器件存在着一个无灵敏度的温度点，这个点的位置由所加基流（无磁场作用时）Ib0的大小决定。当Ib04mA时，此无灵敏度温度点处于+40℃左右。当温度超过此点时，负向灵敏度也变为正向灵敏度，即不论对正、负向磁场，集电极电流都发生同样性质变化。因此，减小基极电流，无灵敏度的温度点将向较高温度方向移动。当Ib0=2mA时，此温度点可达50℃左右。但另一方面，若Ib0过小，则会影响磁灵敏度。所以，当需要同时使用正负灵敏度时，温度要选在无灵敏度温度点以下。（5）磁灵敏度磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度和负向灵敏度两种。其定义如下：式中—受正向磁场B+作用时的集电极电流；—受反向磁场B-作用时的集电极电流；—不受磁场作用时，在给定基流情况下的集电极输出电流。hhTIIIhcccB1.0/%10000cBIcBI0cI（4）频率特性3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为10kHz。4.2.3磁