[工學]半導體敏感元件磁敏.ppt

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1、半導體磁敏元件及傳感器本章內容1.半導體的磁敏效應2.霍爾元件3.霍爾元件的應用4.磁阻元件5.磁阻元件的應用6.磁敏二極管7.磁敏三極管8.磁敏集成電路1.半導體的磁敏效應1.1霍爾效應半導體的磁敏效應是指半導體在電場和磁場作用下表現出來的霍爾效應、磁阻效應、熱磁效應和光磁電效應等。洛侖茲力:電場力:當達到動態(tài)平衡時RH—霍爾系數，由載流材料物理性質決定;1.半導體的磁敏效應1.2霍爾系數金屬材料：電子μ很高，但ρ很??；絕緣材料：ρ很高，但μ很??；為獲得較強霍爾效應，霍爾片大多采用半導體材料制成；由于電子遷移率比空穴大，一般采用N型材料。設KH

2、=RH/dKH—乘積靈敏度。與材料的物理性質和幾何尺寸有關，表示單位磁感應強度和單位控制電流時，霍爾電勢的大小。VH＝KHIB若B方向與霍爾器件平面法線夾角為θ時，霍爾電勢為：VH＝KHIBcosθ注：控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍爾電勢的方向也改變。當磁場與電流同時改變方向時，霍爾電勢并不改變方向。A，B為控制電流端子，C，D為霍爾電壓輸出端子，稱霍爾片，在霍爾片上焊引出線，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霍爾元件結構2.2霍爾角霍爾元件電場E和電流密度Jn不在同

3、一方向，它們間夾角θH稱為霍爾角tanθH=Ey/Ex2霍爾元件（1）控制電流I；（2）霍爾電勢VH；（3）控制電壓V；（4）輸出電阻R2；（5）輸入電阻R1；（6）霍爾負載電阻R3；（7）霍爾電流IH。VHR3VBIEIHR2.3霍爾元件基本電路使用時,器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。2.4霍爾元件驅動方式2霍爾元件VH=RHICB/d恒流驅動：VH=(W/L)VinμnB恒壓驅動：2.5形狀系數VH（x=0）=VH（x=L）=0VH=（RHICB/d）f(L/W,θH)考慮影響后：通常選擇L/

4、W＞2，為減小控制電極的短路作用，輸出電極取在中心位置，小于長度1/10?；魻柶膸缀纬叽鐚魻栯妷河杏绊懀娏骺刂齐姌O對霍爾電壓存在短路作用，幾何形狀也影響霍爾電壓和內阻的大小。形狀效應系數2.6制造工藝2霍爾元件分立元件型和集成電路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、擴散、制作電極、焊接引線、中測和封裝等。N型高阻單晶直接制作良好的電極比較困難。采用多種金屬合金方法降低接觸點整流效應和接觸電阻，通常在濃磷N+接觸孔上鍍一層金屬鎳，高溫處理后使鎳擴散到N+區(qū)。再鍍一層金屬作為引線焊接點，形成良好的歐姆接觸。平面工

5、藝：合金化工藝：單晶型和薄膜型（4）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離子化電源，使蒸發(fā)的InSb分子或分子團變成離子或離子團，然后沉積到基片上形成多晶InSb薄膜;2.7主要參數2霍爾元件（1）輸入電阻Rin在規(guī)定條件下（一般B=0,Ic=0.1mA）,控制（激勵）電流兩個電極之間的電阻。（2）

6、輸出電阻Rout在規(guī)定條件下（一般B=0,Ic=0.1mA）,無負載情況時兩個輸出電極之間的電阻。（3）額定控制電流IC在B=0時，環(huán)境溫度為25℃的條件下，霍爾元件由焦耳熱引起溫度升高10℃時，通過的控制電流IC。（4）最大允許控制電流ICM在最高允許使用溫度下，允許最大控制電流。一般元件Tj=80℃。（5）不等位電勢VM額定控制電流下，無外加磁場時，輸出（霍爾）電極間的開路電壓不為零；2霍爾元件2.7主要參數2霍爾元件（6）不等位電阻RM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SHSH=VH/ICB=

7、RH/d（9）霍爾電壓溫度系數（10）內阻溫度系數（11）熱阻Rth霍爾元件工作時功耗每增加1W，霍爾元件升高的溫度值稱為它的熱阻。α=VH/△Tβ=R/△T2.7主要參數2.8霍爾元件的補償技術2霍爾元件造成測量誤差的主要原因半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都是隨溫度變化而變化，性能參數，如內阻、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。（2）制造工藝的缺陷表現形式：（2）零點誤差（1）溫度變化引起的誤差霍爾元件的補償（2）零點補償（1）溫度補償（1）半導體的固有特性恒流源并聯電阻進行溫度補償2霍爾元件A溫度補償VH=RHICB/d溫度升到T時，電

8、路中各參數變?yōu)闇囟葹門0時分流電阻溫度系數;輸入電阻溫度系數；升溫前、后的霍爾電勢不變經整理，忽略高次項后得2霍爾元件恒流源并聯電阻進行