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1、目 录,第七章,7.3 霍尔元件,7.4 霍尔传感器,7.1 霍尔效应,7.2 磁阻效应,7.5 磁敏电阻,7.6 磁敏二极管和磁敏三极管,第 七 章,半导体磁敏传感器,半导体磁敏传感器指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器,常用的磁敏传感器有霍尔传感器和磁敏电阻传感器。此外还有磁敏二极管、磁敏晶体管等。磁敏器件是利用磁场工作的,因此可以通过非接触方式检验。非接触方式可以保证寿命长、可靠性高。半导体磁敏传感器的应用十分广泛。可用于测量磁场，特别是对弱磁场的测量、电流测量、位移等机械量的检测等。在电流检测中，作为电流传感器、变送器的检测器件；转动角度的测量，广泛应用于汽车制造业；微弱磁场的检测，
2、主要用于伪钞识别；流量计领域用于电子水表、电子煤气表、流量计等。,磁敏传感器的基本工作原理,磁敏传感器的工作原理是基于霍尔效应和磁阻效应。7.1 霍尔效应 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。,一长为L、宽为b、厚为d的半导体薄片，被置于磁感应强度为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制电流 I，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B 乘积成正比的电势UH，且UHKHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。这种在垂直于电流和磁场的方向上感应出电场的现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。,7.2 磁阻效应 在
3、半导体上施加磁场时，由于洛伦兹力的作用，载流子的漂移方向将发生偏转，致使与外加电场同方向的电流分量减小，等价于电阻增大。这种现象叫磁阻效应。当电流和磁场的方向垂直时，称为横向磁阻效应。若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。横向比纵向磁阻效应大。设没有磁场时的电阻率为，施加电场时的电阻率为，则横向磁阻效应的大小可用横向磁阻系数 来表示：,7.3 霍尔元件,霍尔效应是导体中自由电荷受洛仑兹力作用而产生的。以n型半导体为例，当它通以电流I 时，半导体中的电子受到磁场中洛仑兹力FL的作用，其大小为:,式中为电子速度，B 为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在 FL 的作用下，电子向垂直于B 和的方
4、向偏移，在器件的某一端积聚负电荷，另一端面则为正电荷积聚。,7.3.1 霍尔元件工作原理,电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为:,式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。当FL=FE时，电子的积累达到动平衡，即:,所以。设流过霍尔元件的电流为I 时，,式中bd为与电流方向垂直的截面积，n 为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。则,若是P型半导体霍尔元件，则,式中p为单位体积内的空穴数。,为方便起见，式中的负号可以不写。,7.3.霍尔系数及灵敏度,若取：,霍尔系数由半导体材料决定。它反映了材料的霍尔效应的强
5、弱。单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强。,另外定义,单位m3.C-1，三次方米每库仑,单位V/A.T(特斯拉）,由半导体物理知：,所以有：,霍尔系数由半导体材料决定。它反映了材料的霍尔效应的强弱。单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强。霍尔电压UH与元件的尺寸有关。d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。,KH为霍尔元件的灵敏度，这时，霍尔电势表示为：,KH表示在单位电流，单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值。即霍尔元件灵敏度（乘积灵敏度）。它与元件的厚度成反比，降低厚
6、度d，可以提高灵敏度。但在考虑提高灵敏度的同时，必须兼顾元件的强度和内阻。,上面讨论的是磁场方向与器件平面垂直,即磁感应强度B与器件平面法线n平行的情况。在一般情况下,磁感应强度B的方向和n有一个夹角,这时上式应推广为：,7.3.3 霍尔元件的主要技术参数,1额定功耗P0 霍尔元件在环境温度T25时，允许通过霍尔元件的控制电,流I 和工作电压V 的乘积即为额定功耗。一般可分为最小、典型、最大三档，单位为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额功耗可以知道额定控制电流I。有些产品提供额定控制电流和电压，不给出额定功耗。,2输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的
7、电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为。可以在室温下、无磁场即B0时，用欧姆表等测量。,4不平衡电势U0（不等位电势）在额定控制电流Ic 之下，不加磁场时，霍尔电极间的开路电势差称为不平衡电势，单位为mV。它是由于两个输出电极不在同一个等位面上造成的。产生的原因主要有材料电阻率的不均匀，基片宽度和厚度不一致及电极与基片间的接触位置不对称或接触不良造成的。不平衡电势和额定控制电流Ic 之比为不平衡电阻r0。,3额定控制电流Ic 霍尔元件在空气中升温 时所通过的控制电流称为额定控制电流Ic。,5.寄生直流电势UOD,当不加外磁场，器件通以交流控制电流，这时器件输
8、出端除出现交流不等位电势（单位mV)以外，如果还有直流电势（uV)，则此直流电势称为寄生直流电势UOD。其产生原因是由于控制电流极及霍尔电压极的触电阻造成整流效应。,6、灵敏度KB,在控制电流Ic和单位磁感应强度作用下，霍尔元件输出极开路时的霍尔电压称为磁灵敏度。,7霍尔电势温度系数(专用参数）在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。,8内阻温度系数(专用参数）霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1时，输入电阻只Ri与输出电阻R0变化的百分率称为内阻温度系数，一般取不同温度时的平均值。霍尔元件的专用参数变化量小，需要用较精密的仪器进行测量
9、。,表7-1 国产典型霍尔元件的性能,7.3.4 霍尔元件基本电路1.符号 通常在电路中，霍尔器件用下图所示的几种符号表示。国产元件常用H表示霍尔器件，后面的字母代表元件的材料，例如，HZ1表示用锗材料制成的霍尔器件，HT1表示用锑化铟制成的霍尔器件，后面的数字代表产品序号。,国产霍尔元件型号的命名方法,2.基本电路,图中表示B指向纸面,右图示出了霍尔器件的基本电路。控制电流由电源E供给，R为调节电阻，调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载电阻Rf。Rf可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，电流I或磁场B，或者两者同时作
10、为信号输入，而输出信号则正比于I或B，或者正比于它们的乘积。,连接方式,为得到较大的霍尔输出，当元件的工作电流为直流时，可把几个霍尔元件输出串连起来，但控制电流极应并联。如下图所示。,R,1,R,2,V,V,E,2,元件的串联可以增加输出电压，但其输出电阻也将增大。,霍尔元件的输出信号为mv级，实际使用中采用运算放大器加以放大，元件与放大器集成在同一芯片内。如下图所示。,7.3.5 霍尔式传感器的温度误差及其补偿,霍尔元件是采用半导体材料制成的,因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化,从而使霍尔元件产生温度误差。为了减小
11、霍尔元件的温度误差,除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外,采用恒流源供电是个有效措施,可以使霍尔电势稳定。但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所带来的影响。也可以使用一些温度补偿的方法。（一）、采用恒流源提供控制电流 采用恒流源提供恒定的控制电流可以减小温度误差，但元件的灵敏度Kh也是温度的系数，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在元件控制极并联分流电阻R来提高Uh的温度稳定性，如下图所示 它由恒流源、并联电阻和霍尔元件组成。,令在初始温时，元件灵敏度系数为、输入电阻为，当温度由 变化到，即有 时，各参数变化为：,由于温度为 时有,在温度为 时有,要使霍尔电势不随温度而变化
12、，必须保证在 和 的值为常数，温度为 和 时有,即有：,那么：,整理得：,式中，霍尔元件输入电阻 的温度系数 灵敏度 的温度系数,（二)、合理选择负载电阻,当霍尔元件选定以后，为定值，其值可在产品说明书中查到，选择适合的补偿分流电阻，使由于温度引起的误差降至极小。,当温度由 变成 时，则 上的电压变为,式中-室温时霍尔元件输出电阻；-霍尔元件温度系数；-霍尔元件输出电阻的温度系数,霍尔元件的输出电阻和霍尔电势都是温度的函数（设正温度系数）,要使 不受温度变化影响，即，由上两式可知,整理得：,对于一个霍尔元件，的值容易获得，所以只要使负载电阻 满足上式，就可以实现在输出回路中对温度的补偿。虽然
13、通常是放大器的输入电阻或表头内阻，其值是一定的，但可通过串、并联电路来调整 的值。,（三）、采用温度补偿元件,最常用的温度补偿方法。,下图给出了几种补偿电路的例子。其中图（a）、（b）、（c）为电压源输入，图（d）为电流源输入，为电压源内阻；和 为热敏电阻。,（a）并联补偿电路（b）串联补偿电路（c）串、并联补偿电路（d）电流源的补偿电路,利用上图连接方式的原理在于霍尔系数随温度上升减小，为了维持恒定的霍尔输出电压，可适当增加控制电流。,在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽量靠近，以使二者温度变化一致。,例如对于图（b）的情况，如果 温度系数为负，T，则选用电阻温度系数为负的
14、热敏电阻。,当 T I。当 RT 阻值选用适当，就可使 在精度允许范围内保持不变。,（四）、霍尔元件不等位电势的补偿,不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如下图所示。控制电极A、B和霍尔电极C、D可看作电桥的电阻连接点。它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4构成四个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。,霍尔元件等效为一个电桥,理想情况下，不等位电势UM=0，对应于电桥的平衡状态，此时R1R2R3R4。如果霍尔元件的UM0，则电桥就处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4的阻值有差异，UM就是电桥的不平衡
15、输出电压。只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势补偿方法。,1不等位电势与控制电流间的关系,（1）在控制电流为直流时，不等位电势的大小和极性与直流控制电流的大小和方向有关。,（2）在控制电流为交流时，不等位电势的大小和相位随交流控制电流而变。,（1）图（a）是不对称补偿电路，在不加磁场时，有调节 可使 为零。（2）图中（b）、（c）、（d）为对称补偿电路。,2几种不等位电势的补偿电路,（3）另外，不等位电势与控制电流之间并非线性关系，而且 还随温度而变。,(a)不对称补偿，结构简单，调整补偿方便，能量损失小，而且在不等位电势不大时，对输出霍尔电势损失小。(b),(c),(d)是对称电路，
16、在温度变化时补偿的稳定性好。但(c),(d)减小了霍尔元件的输入电阻，增大了输入功率，降低了霍尔元件的霍尔电压输出，且(c),(d)使元件的输出电阻增大。,基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化，需要重新进行平衡调节。,7.4 霍尔传感器 由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器，也称为霍尔集成电路。,7.4.1 霍尔传感器分类,霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。1.线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。2.开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放
17、大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。,7.4.2 线性霍尔传感器,（一）线性型霍尔传感器的结构及工作原理,霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有单
18、端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。,单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。.,（二）线性型霍尔传感器的输出特性,对正负磁场，传感器表现出对称的输出特性；当磁感应强度太大时，输出有饱和的趋势。,负载电阻对霍尔线性集成传感器的输出有一定的影响,（一）开关型霍尔传感器的结构及工作原理,7.4.3 开关霍尔传感器,由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电
19、路、开路输出五部分组成。,（1）霍尔元件：在0.1T磁场作用下，霍尔元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压，当有负载时输出10mV左右的霍尔电压。（2）差分放大器：放大器将霍尔电压UH放大，以便驱动后一级整形电路。,（3）整形电路：一般采用施密特触发器，它把经差分放大的电压整形为矩形脉冲，实现A/D转换。（4）输出管：由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开路输出，集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接，使用方便。（5）电源电路：一方面是为了改善霍尔传感器的温度性能，另一方面可以大大提高集成霍尔传感器工作电源电压的适用范围。,2霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可
20、以看出，工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。图中的BOP为工作点“开”的磁感强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。,该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。,霍耳开关集成传感器的工作特性曲线,7.4.4 霍尔传感器的应用,按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、
21、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。,（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量,1电流传感器 由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。,（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量,霍尔电流传感器工作原理如上图所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。,2位移测量,x
22、,Ic,霍尔位移传感器可制成如上图（a）所示的结构，在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔传感元件，当控制电流IC恒定不变时，霍尔电压UH与外加磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB/dx为一常数，如上图（b)所示，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电压变化为：,UH=Kx 说明：霍尔电压与位移量x成线性关系，其输出电压的极性反映了元件位移的方向。,积分后，得,（二）开关型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量,开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。,1测转速或转数如图所示，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢
23、，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。,如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。,2各种实用电路开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明：电路1 防盗报警器,如图所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出端3为低电平，当门被非法撬开时，霍尔传
24、感器输出端3为高电平，非门输出端Y为低电平，继电器J吸合，Ja闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。,电路2 公共汽车门状态显示器,使用霍尔传感器，只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器，例如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车。电路如图所示，三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上，在车门适当位置各固定一块磁钢，当车门开着时，磁钢远离霍尔开关，输出端为高电平。若三个门中有一个未关好，则或非门输出为低电平，红灯亮，表示还有门未关好，若三个门都关好，则或非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好，司机可放心开车。,7.5 磁敏电阻,是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件
25、。它理论基础为磁阻效应。,（一）磁阻效应 在半导体上施加磁场时，由于洛伦兹力的作用，载流子的漂移方向将发生偏转，致使与外加电场同方向的电流分量减小，等价于电阻增大。这种现象叫磁阻效应。当电流和磁场的方向垂直时，称为横向磁阻效应。若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。横向比纵向磁阻效应大。,在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化,它可表示为：,由此可知，磁场一定时迁移率越高的材料（如InSb、InAs和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。,为磁感应强度；
26、材料在磁感应强度为时的电阻率；0 材料在磁感应强度为0时的电阻率；载流子的迁移率。,磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。,InSb磁敏电阻与特性(a)基本结构；(b)电阻与磁场特性曲线,长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍耳电势，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。,InSb-NiSb共晶元件,InSb-NiSb共晶材料的特点是在InSb的晶体中掺杂NiSb，在InSb的结晶过程中会析出沿着一定方向排列的细长NiSb针状晶体，如上图所示。针状晶
27、体导电性能良好，其直径为1m，长度约100m左右。由于NiSb在InSb中是平行整齐、有规则排列，所以可将它看作是栅格金属条，起着短路霍尔电压的作用，相当于几何形状效应。,为了进一步提高磁敏电阻的阻值，往往采用如下图所示曲折型结构，将曲折元件组成一个差分型元件，这样可以将磁阻元件阻值在无磁场情况下做到数百欧姆甚至数千欧姆。,曲折形磁阻元件,二、磁阻元件的主要特性,1 灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用K表示，在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值
28、，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。,2 磁场电阻特性,磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加,在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化,(a)S、N级之间电阻特性,(b)电阻变化率特性,磁阻元件磁场电阻特性,3 电阻温度特性 下图是一般半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件的温度特性不好。图中的电阻值在35的变化范围内减小1/2。因此，在应用时，一般都要涉及温度补偿电路。,半导体元件电阻-温度特性曲线,（三）磁敏电阻的应用,转速传感器-用InSb磁敏电阻的对称半桥结构形式再加上偏置磁钢做成，其结构原理如
29、下图1所示。在齿轮旋转时，其中一个磁敏元件就会被齿轮的齿部覆盖。而另一磁敏元件则处在齿轮的凹部，从而引起两个磁敏元件的阻值发生变化。因此当齿轮转过磁敏元件时，传感器就会输出一周期性的正弦信号，如图2所示。传感器输出信号的频率和相位与齿轮的转速和位置有关，幅值的大小和齿轮无关。对此磁敏元件输出地正弦信号再经放大、整形等电路就可以使传感器输出较好的方波信号。,磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电
30、机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。,7.6 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。,（一）磁敏二极管（SMD）的原理和特性1磁敏二极管的结构与工作原理,（1）磁敏二极管的结构 磁敏二极管是电特性随外部磁场的改变而显著变化的器件，实际上它是一种电阻随磁场的大小和方向均改变的结型二端器件，是利用磁阻效应进行磁电转换
31、的。有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。磁敏二级管的结构是P+iN+型。在高纯度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，并将较长的本征区（i区）的一个侧面打毛形成高复合区(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。,(2)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。,磁敏二极管的工作原理示意图,当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加如下图(a)所示的正偏压，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同
32、时也有大量电子注入P区而形成电流。只有少量电子和空穴在I区复合掉。当磁敏二极管受到如下图,(b)所示的外界磁场H+(正向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，因此，形成的电流因复合速度加快而减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。当磁敏二极管受到如右图(c)所示的外界磁场片H-(反向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，则外电路的电流变大。,利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变化的
33、特性即可实现磁电转换。,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。因而流过二极管的电流（端电压）不会因受到磁场作用而有任何改变。,2磁敏二极管的主要特征（1）伏安特性 在给定磁场情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流的关系曲线。,磁敏二极管伏安特性曲线（a）锗磁敏二极管,磁敏二极管伏安特性曲线（b）硅二极管,由图可见：(1)输出电压一定，磁场为正时，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)硅磁敏二极管的伏安特性如图（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
34、后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。,（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。磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下图所示。从图可知，单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线基本对称，磁场强度增加时，曲线有饱和趋势，在弱磁场下有较好的线性。,互补：两只性能相近的磁敏二极管按相反磁极性组合，并串联在电路中。,（3）温度特性 温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量随温度变化的规律，如图所示。从下图中可以看出元件受温度影响较大。反映温度特性的好坏，可用 和 温度系数来表
35、示。其参数大小如下页表所示。,表 Ge,Si磁敏二极管的参数,(4)磁灵敏度磁敏二极管的磁灵敏度有以下三种定义方法：（1）在恒流条件下，偏压随磁场变化，电压相对磁灵敏度,式中：U0磁场强度为零时，磁敏二极管两端的电压；UB磁场强度为B时，磁敏二极管两端的电压。SU的测量电路如下图所示。,电压相对磁灵敏度测量电路,（2）在恒压条件下，偏流随磁场变化，电流相对灵敏度,式中：I0给定偏压下，磁场为零时，通过磁敏二极管的电流；IB给定偏压下，磁场为B时，流过磁敏二极管的电流。SI的测量电路如下图所示。,电流相对磁灵敏度,（3）按照标准测试，在给定电源E和负载R的条件下，电压相对灵敏度和电流相对灵敏度定
36、义为,式中：U0、I0磁场为零时，磁敏二极管两端的电压和流过的电流；UB、IB磁场为B时，磁敏二极管两端的电压和流过的电流。测定SRU和SRI的电路如下图所示。,标准测试方法电路原理图,3、磁敏二极管的补偿技术,由于磁敏二极管具有随温度变化其特性参数变化较大的缺点，给实际应用带来很大的误差。为了提高测试精度，必须进行补偿处理。常用的补偿电路有四种：互补式、差分式、全桥式、热敏电阻式。,互补式温度补偿电路 选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目
37、的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。,差分式电路 如下图(c)所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和R2。全桥电路 全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。热敏电阻补偿电路 如下图(e)所示。该电路是利用热敏电阻随温度的变化，而使Rt和D的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。,(d),(c),4、磁敏二极管与其它磁敏
38、器件相比，具有以下特点：(1)灵敏度高磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉，更适合于测量弱磁场。(2)具有正反磁灵敏度这一点是磁阻器件所欠缺的。故磁敏二极管需互补使用。(3)灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄。这一点不如霍尔元件。,（二）磁敏三极管的原理和特性1磁敏三极管的结构与工作原理,(1)锗磁敏三极管 锗磁敏三极管如图所示。它是在弱P型准本征半导体上用合金或扩散的方法形成三个区：发射区、基区和集电区，与磁敏二极管相似，在长基区的一个侧面制成一个高复合面r。,NPN型锗磁敏三极管结构和电路符号(a)结构；(b)电路符号,(2)硅磁敏三极管硅磁敏三极管是用平面
39、工艺制造的，如图所示。它通常采用N型材料，利用二次硼扩散工艺，分别形成发射区和集电区，然后扩磷形成基区而制成PNP型磁敏三极管。由于工艺上的原因，很少制造NPN型磁敏三极管。,硅磁敏三极管结构,当不受磁场作用时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而发射区注入的载流子除少部分输运到集电极c外，大部分通过eib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=IcIb1。,2、磁敏三极管的工作原理,当受到H磁场作用时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射区一侧偏转，从而使集电极电流 Ic明显下降。当受H-磁场使用时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电区一侧偏转，使集电极电
40、流Ic增大。,由此可知，磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。,3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。由图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。,(2)磁电特性 磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。例如，国产NPN型3BCM（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线，如下图所示。,(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；3CCMSi磁敏三极管的温
41、度系数为-0.6。3BCM的温度特性曲线如图所示。,可采用晶体管、磁敏二极管和差分电路进行补偿。,当温度从T1上升到T2时，集电极电流IC的温度灵敏度系数表达式为,式中IC（T0）表示T025时的集电极电流。除了用dI表示之外，也可以用磁灵敏度h来表达。当温度从T1上升到T2时，磁灵敏度h的变化值可用磁灵敏度温度系数dh表示为,4磁敏三极管的温度补偿技术,同磁敏二极管一样，磁敏三极管的温度依赖性也较大。若使用硅磁敏三极管，注意到其集电极电流具有负温度系数的特点，可采用以下几种方式进行温度补偿。,利用正温度系数普通硅三极管进行补偿。电路如下图（a）所示。,具体补偿电路如下图所示。当温度升高时，V
42、1管集电极电流IC增加导致Vm管的集电极电流也增加，从而补偿了Vm管因温度升高而导致IC 的下降。,对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。,补偿电路(a),(2)利用磁敏三极管互补电路。由PNP和NPN磁敏三极管组成互补式补偿电路，如图（b）所示。如果图中两种磁敏三极管集电极温度特性完全一样，则互补电路的输出电压不随温度发生漂移。,(3)采用磁敏二极管补偿电路。由于锗磁敏二极管电流随温度上升而增加，可以弥补硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降的问题如图(c)所示。(4)采用差分补偿电路。用两只磁、电特性一致，而磁场特性相反
43、的磁敏三极管组成差分补偿电路,如图（d）所示。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。,温度补偿方法,（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用,利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。,1、磁敏二报管漏磁探伤仪 磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈、铁芯、放大器、磁敏二极管探头等部分构成。将待测物(如钢棒)置于铁芯之下，并使
44、之不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感应的磁通为，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。,漏磁探伤仪原理图1 裂缝；2 磁敏管探头；3 铁芯；4 激励线圈；5 被测棒材,2位移测量 采用两个磁敏二极管组成的差动位移传感器如下图所示。导磁板放置在两个磁敏二极管的中间，当导磁板有向右的小位移时，则C2离导磁板的距离减小，C2中磁铁端面上的B增大，磁敏二极管C2的电阻增加；而磁敏二极管Cl的电阻减小，测量电桥失去平衡。输出与位移成比例的信号。,差动位移传感器,习题和思考题,什么是霍尔效应？为什么半导体材料适于作霍尔元件？2、阐述磁敏二极管的工作原理。3、霍尔元件的不等位电势的概念是什么？产生不等位电势的主要原因有哪些？如何进行补偿？4、霍尔电动势与哪些因素有关？,5、什么是磁阻效应，分为哪两种？6、温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？7、阐述磁敏三极管的工作原理。8、分析下图所示霍耳计数装置的工作原理。,(a)工作示意图（b）电路图,结束,
