半导体磁敏元件简介

半导体磁敏元件简介

        基于霍耳效应的半导体磁电转换传感器。在磁场测量以及利用磁场作为媒介对位移、速度、加速度、压力、角度、角速度、流量、电流、电功率等许多非电量测量中，半导体磁敏元件是一种重要的器件。磁敏元件分霍耳元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管等。主要材料有锑化铟、砷化铟、锗和硅等。这类器件的优点是结构简单，体积小，易于集成化，耐冲击，频响宽（从直流到微波），动态范围大，而且可以实现无接触检测，不存在磨损，抗污染，不产生火花，使用安全，寿命长，因此它在测量技术、自动控制和信息处理等方面有广泛的应用。
　　霍耳元件 　在半导体霍耳片（图1）的长度方向通入控制电流I,在平面法线方向外加磁场B，于是电子在磁场中受洛伦兹力,而向宽度方向偏移，因此在霍耳片两侧分别积累正负电荷并沿宽度方向产生霍耳电场。这一电场对电子产生的力阻止电子偏移。当电场力fE与洛伦兹力fL相平衡时,霍耳输出端电荷积累达到平衡,这就是霍耳效应。当磁感应强度B方向与霍耳片平面法线夹角为θ时,霍耳电压V=KIBcosθ,其中K 为霍耳元件灵敏度。当载流子为空穴时，它与电子运动方向相反，而洛伦兹力方向相同，所以产生的霍耳电压极性相反。霍耳元件主要用于磁场、转速、微小位移、加速度等的测量，是放音磁头、磁接近开关、同步传动装置、无刷直流电机、函数发生器、运算器、功率计、调制器、解调器、频谱分析、回转器、隔离器中的重要器件。

半导体磁敏元件
　　霍耳集成威廉希尔官方网站 　利用硅集成威廉希尔官方网站 工艺把霍耳元件和功能线路集成在同一硅片上制成的磁敏器件，分为霍耳开关集成威廉希尔官方网站 和霍耳线性集成威廉希尔官方网站 。霍耳开关集成威廉希尔官方网站 由霍耳元件、差分放大器、施密特触发器和输出级四个环节组成。它可靠性高,工作频带宽（从直流到100千赫左右），温度性能好，易实现数字化，结构简单，体积小，耐冲击。它可作为无触点开关，如键盘开关，接近开关，行程开关，限位开关等，可检测带有磁钢或导磁体的物体直线运动时的位置和速度，因而能检测产品数量、液面、旋转体的角位移、角速度、风速、流速，也可用于磁头编码。
　　磁阻元件 　利用半导体物理磁阻和几何磁阻效应制成的半导体磁敏元件。作为磁阻元件要求霍耳电势小而霍耳角大。常在扁长条霍耳片上蒸镀或溅射一层金属膜，利用光刻技术留下相距很近的环状栅格金属膜，相当于许多串联的扁形磁阻元件，能获得高的磁阻灵敏度。零磁场下电阻一般为几百欧，而磁感应强度为 1特斯拉时，其电阻比零磁场电阻增大12倍左右。弱磁场下，磁阻按(μB)2关系增加。在强磁场(μB＞1)下磁阻随磁感应强度按线性规律变化。为获得较好的线性特性,应选择迁移率比较高的半导体材料（如 n型锑化铟）。磁阻元件中的载流子在电场中漂移很短，频率响应极佳。磁阻元件是二端元件，特殊的有三端和四端元件，还有磁阻集成威廉希尔官方网站 。主要用于位移和角度的检测和无触点电位器等。
　　磁敏二极管 　1967～1968年，日本先后研制成硅、锗磁敏二极管。这类新型器件的转换灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍。磁敏二极管是P+-i-n+型长二极管（i表示近本征型半导体）。其原理是在外加电压的作用下，由P+、n+区向i区注入载流子（空穴与电子），此时它们若受到垂直于载流子运动方向的磁场H +的作用便向复合区偏转。载流子在复合区的复合概率高于i区,因而寿命缩短,减小有效扩展长度,使i区压降增加，P+-i结和i-n+结的结偏压下降,通过i区的电流减小。在相反磁场H -的作用下，上述过程则相反。因此可用以测量磁场。磁敏二极管适用于测量弱磁场（如用于地磁测量仪），可制成借助磁场触发的无触点开关。例如利用导线周围的磁场制成无接触电流表，利用磁场变化制成调制器、自动增益控制威廉希尔官方网站 和无触点电位器，以及同其他器件组合制成直流无刷电机等。它在自动化仪表中的应用潜力很大。

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　　磁敏三极管 　磁敏三极管是在磁敏二极管的基础上研制出来的。它的一端为集电极c和发射极e(n+区)、另一端P+区为基极b（图3）。磁场的作用使集电极的电流增加或减少。它的电流放大倍数虽然小于 1，但基极电流和电流放大系数均具有磁灵敏度，因此可以获得远高于磁敏二极管的灵敏度。磁敏三极管是尚处于研制阶段的新型器件,凡是应用霍耳元件,磁阻元件和磁敏二极管的地方均可用磁敏三极管来代替。磁敏三极管尤其适用于某些需要高灵敏度的场合，如微型引信、地震探测等方面。