半導(dǎo)體磁敏元件

1、半導(dǎo)體磁敏元件第1頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二本次課內(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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二1.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)體在電場和磁場作用下表現(xiàn)出來的霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱磁效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。洛侖茲力:電場力:當(dāng)達(dá)到動態(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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二1.半導(dǎo)體的磁敏效應(yīng)1.2 霍爾系數(shù)金屬材料：電子很高，但

2、很?。唤^緣材料：很高，但很?。?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)霍耳電勢的大小。VH KH I B若B方向與霍耳器件平面法線夾角為時(shí)，霍耳電勢為： VH KH I B cos 注：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時(shí)，輸出霍耳電勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍耳電勢并不改變方向。第4頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二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

3、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E 和電流密度Jn不在同一方向，它們間夾角H稱為霍爾角tanH=Ey/Ex第5頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二 霍爾片的幾何尺寸對電場和霍爾電壓有影響，電流控制電極對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)動方式2 霍爾元件VH=RHICB/d 恒流驅(qū)動： VH=(W/L)VinnB恒壓驅(qū)動：2.4 形狀系數(shù) VH（x=0）= VH（x=L）=0 VH=（RHI

4、CB/d）f(L/W, H)考慮影響后改寫為：f(L/W, H)稱為形狀效應(yīng)系數(shù)霍爾元件時(shí)通常選擇L/W2。第6頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二2.5 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

5、好的歐姆接觸。平面工藝：合金化工藝：第7頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二（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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二2.6 主要參數(shù)2 霍爾元件（1）輸入電阻

6、Rin在規(guī)定條件下（一般B=0, Ic =0.1mA）控制（激勵）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VM額定控制電流作用下，無外加磁場時(shí)，輸出（霍爾）電極間的開路電壓不為零；第9頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二2 霍爾元件（6）不等位電阻R

7、M不等位電勢VM與控制電流IC之比；（7）磁靈敏度SBSB=VH/B（8）乘積靈敏度SH SH= 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。= VH/T= R/T2.6 主要參數(shù)第10頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二2.7 霍爾元件的補(bǔ)償技術(shù)2 霍爾元件 造成測量誤差的主要原因 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

8、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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二恒流源并聯(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)?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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二升溫前、后的霍爾電勢不變經(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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二恒壓源進(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

9、，未考慮r0的溫度系數(shù);第14頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二B 霍爾元件不等位電勢的補(bǔ)償2 霍爾元件 對不等位電勢進(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。第15頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二3 霍爾元件的應(yīng)用磁場變化曲線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測量12mm的小位移 ，特點(diǎn)：慣

10、性小，響應(yīng)速度快。第16頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二 3.2 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器3 霍爾元件的應(yīng)用 被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí), 磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動, 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, 檢測出單位時(shí)間的脈沖數(shù), 可知被測轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。 3.3 霍爾式加速度傳感器第17頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二3 霍爾元件的應(yīng)用3.4霍爾電流傳感器直接檢測式（也稱磁強(qiáng)計(jì)式）和磁平衡式安培環(huán)路定律B=I/2r 當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場

11、可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測。第18頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二3 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?；倦娐返?9頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二4.1 磁阻效應(yīng) 電流和磁場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) 外磁場與外電場的方向是垂直的，稱為橫向磁阻效應(yīng)。 載流子運(yùn)動軌跡注：在弱磁場時(shí)， 成正比； 在強(qiáng)磁場時(shí)

12、， 成正比在磁場無限大時(shí)，電阻率趨于飽和。第20頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二4.3 幾何磁阻效應(yīng)4 磁阻元件 相同磁場和控制電流作用時(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方形樣品電流分布在弱磁場時(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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二 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)磁場時(shí)，磁阻比RB/R0為在中等磁場時(shí)，磁阻比RB/R0為式中，2N

13、1。 電流以螺旋狀路徑流出電極， 電流路徑拉長，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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二4 磁阻元件 長方形磁阻元件在弱磁場時(shí)，它的磁阻比： 在強(qiáng)磁場時(shí)，磁阻比：若物理磁阻效應(yīng)不顯著，則強(qiáng)磁場條件下，磁敏電阻值與成正比關(guān)系。mt為磁阻平方系數(shù)； 在LW的長方形半導(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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二4.4 磁阻元件的特性參數(shù)規(guī)定條件下（一般B=0, Ic =0.1mA）

14、（1）全電阻 在規(guī)定條件下，不加磁場時(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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二 制造：單晶

15、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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二15RBR0105溫度(25)弱磁場下呈平方特性變化強(qiáng)場下呈直線特性變化0電阻變化率特性0.

16、20.40.60.81.01.21.4B/T在0.1T以下的弱磁場中，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（）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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二5 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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二6 磁敏二極管電特性隨外界磁場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

17、P-I-N二極管，有很長的基區(qū)，又稱為長基區(qū)二極管。基區(qū)長度L應(yīng)大于載流子的擴(kuò)散長度。在施加正向偏壓時(shí)，PI結(jié)向基區(qū)注入空穴，IN結(jié)向基區(qū)注入電子，又稱為雙注入長二極管。磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(a)結(jié)構(gòu); (b)電路符號第28頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二6.1 結(jié)構(gòu)和工作原理6 磁敏二極管 隨著磁場方向和大小的變化，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影響示意圖P+N+H=0高復(fù)合的r區(qū)第29頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二6 磁敏二極管6.2磁敏二極管的特性參

18、數(shù) 伏安特性 磁靈敏度（1）電壓相對磁靈敏度SV測試條件為: B=0.1T，I=3mA。 磁電特性第30頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二6 磁敏二極管 磁靈敏度（2）電流相對磁靈敏度SI 測試條件: 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)用測試方法測試條件一般為E=9V，RL=2k 當(dāng)RL時(shí)相當(dāng)于恒流源條件下測試的電壓相對靈敏度，即 同理，當(dāng)RL0時(shí)，相當(dāng)于恒壓源條件下電流相對靈敏度，即第31頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二 溫度特性6 磁敏二極管包括伏安特性、零磁場輸出電壓V0和電壓磁靈敏度隨溫度變化而

19、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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二用磁敏二極管組成的差動位移傳感器6.3 磁敏二極管的應(yīng)用6 磁敏二極管第33頁，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二7 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 NPN磁敏三極管基本結(jié)構(gòu)和電路符號7.2 工作原理三極管的磁敏效應(yīng)是由集電極電流IC 的變化來反映?；鶇^(qū)大于載流子有效擴(kuò)散長度，大部分在基區(qū)與基極注入空穴復(fù)合形成基極電流Ib。

20、（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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二7.3磁敏三極管的特性參數(shù)（1）伏安特性7 磁敏三極管B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-33BCM磁敏三極管磁電特性 在弱磁場作用時(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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二（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，共41頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)43分，星期二7 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的溫度補(bǔ)償電路第37頁，共41頁，2022