[工學(xué)]半導(dǎo)體敏感元件磁敏.ppt

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1、半導(dǎo)體磁敏元件及傳感器本章內(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(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)力:當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)RH—霍爾系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定;1.半導(dǎo)體的磁敏效應(yīng)1.2霍爾系數(shù)金屬材料：電子μ很高，但ρ很小；絕緣材料：ρ很高，但μ很?。粸楂@得較強(qiáng)霍爾效應(yīng)，霍爾片大多采用半導(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

2、=RH/dKH—乘積靈敏度。與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)，霍爾電勢(shì)的大小。VH＝KHIB若B方向與霍爾器件平面法線夾角為θ時(shí)，霍爾電勢(shì)為：VH＝KHIBcosθ注：控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出霍爾電勢(shì)的方向也改變。當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍爾電勢(shì)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(jié)構(gòu)2.2霍爾角霍爾元件電場(chǎng)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(shì)VH；（3）控制電壓V；（4）輸出電阻R2；（5）輸入電阻R1；（6）霍爾負(fù)載電阻R3；（7）霍爾電流IH。VHR3VBIEIHR2.3霍爾元件基本電路使用時(shí),器件輸入信號(hào)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(qū)動(dòng)方式2霍爾元件VH=RHICB/d恒流驅(qū)動(dòng)：VH=(W/L)VinμnB恒壓驅(qū)動(dòng)：2.5形狀系數(shù)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。霍爾片的幾何尺寸對(duì)霍爾電壓有影響，電流控制電極對(duì)霍爾電壓存在短路作用，幾何形狀也影響霍爾電壓和內(nèi)阻的大小。形狀效應(yīng)系數(shù)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(kuò)散、制作電極、焊接引線、中測(cè)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(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)，形成良好的歐姆接觸。平面工

5、藝：合金化工藝：?jiǎn)尉秃捅∧ば停?）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;2.7主要參數(shù)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(lì)）電流兩個(gè)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(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溫度升高10℃時(shí)，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(shì)VM額定控制電流下，無外加磁場(chǎng)時(shí)，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(shù)2霍爾元件（6）不等位電阻RM不等位電勢(shì)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(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。α=VH/△Tβ=R/△T2.7主要參數(shù)2.8霍爾元件的補(bǔ)償技術(shù)2霍爾元件造成測(cè)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，性能參數(shù)，如內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)等也隨溫度變化而變化。（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)體的固有特性恒流源并聯(lián)電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償2霍爾元件A溫度補(bǔ)償VH=RHICB/d溫度升到T時(shí)，電

8、路中各參數(shù)變?yōu)闇囟葹門0時(shí)分流電阻溫度系數(shù);輸入電阻溫度系數(shù)；升溫前、后的霍爾電勢(shì)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