半导体敏磁传感器1

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1、第七章半导体磁敏传感器简介磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成。按其结构可分为体型和结型两大类。体型的有霍尔传感器，其主要材料InSb(锑化铟)、InAs（砷化铟）、Ge（锗）、Si、GaAs等和磁敏电阻InSb、InAs。结型的有磁敏二极管(Ge、Si)，磁敏三极管(Si)应用范围可分为模拟用途和数字用途。7.1霍尔传感器7.1.1霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于

2、外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。7.1.1霍尔效应有一如图所示的半导体薄片，若在它的两端通以控制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。控制电极控制电流霍尔电极图7-1霍尔效应UHbldIFLFEvB7.1.1霍尔效应是半导体中的自由电荷在磁场中受到洛伦兹力作用而产生的。所以，霍尔电压UH可表示为UH=EHb=vBb(7-

3、3)设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时FL=qvB(7-1)当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有qEH=qvB故霍尔电场的强度为EH=vB（7-2）流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvnq得：v=I/nqbd(7-4)所以：UH=BI/nqd若取RH=1/nq则RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。它反映材料霍尔效应的强弱。设KH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小.单位是mV/（mA·T）霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。

4、料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即所以而比较得或结论：①如果是P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得②霍尔电压UH与材料的性质有关。③霍尔电压UH与元件的尺寸有关。④霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。材料的ρ、μ大，RH就大。金属的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。7.1.2霍尔元件的构造及测量电路基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件

5、多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。2测量电路W1W2UHUH~（a）基本测量电路WUHRLE（b）直流供电输出方式（c）交流供电输出方式7.1.3霍尔元件的技术参数1.额定功耗P0在环境温度25℃时，允许通过霍尔元件的

6、电流和电压的乘积。2.输入电阻Ri和输出电阻RORi是指控制电极之间的电阻值。R0指霍尔元件输出电极间的电阻。Ri、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。4.霍尔温度系数α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。即：3.不等位电势U0在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。5.内阻温度系数β霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。即：6.灵敏度或：减小d;选好的半导体材料不等位电压是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出极接触不良等原因

7、造成的，可以通过桥路平衡的原理加以补偿。如图所示，因此当控制电流I流过元件时，即使磁场强度B等于零，在霍尔电极上仍有电势存在，该电势就称为不等位电势。7.1.4霍尔元件的测量误差和补偿1.零位误差及补偿方法图7-4不等位电势图7-5霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4在分析不等位电势时，我们把霍尔元件等效为一个电桥，几种常用补偿方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B2.温度误差及补偿由于半导体材料的电阻率、迁移

8、率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图，图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们把温度每变化1℃时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率称为内阻