半导体磁敏元件1

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1、半导体磁敏元件及传感器本次课内容1.半导体的磁敏效应2.霍尔元件3霍尔元件的应用4磁阻元件5磁阻元件的应用6磁敏二极管7磁敏三极管8磁敏集成电路1.半导体的磁敏效应1.1霍尔效应半导体的磁敏效应是指半导体在电场和磁场作用下表现出来的霍尔效应、磁阻效应、热磁效应和光磁电效应等。洛仑兹力:电场力:当达到动态平衡时RH—霍耳系数，由载流材料物理性质决定;1.半导体的磁敏效应1.2霍尔系数金属材料：电子μ很高，但ρ很小；绝缘材料：ρ很高，但μ很小；为获得较强霍耳效应，霍耳片大多采用半导体材料制成；由于电子迁移率比空穴大，一般采

2、用N型材料。设KH=RH/dKH—乘积灵敏度。与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。VH＝KHIB若B方向与霍耳器件平面法线夹角为θ时，霍耳电势为：VH＝KHIBcosθ注：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。A，B为控制电流端子，C，D为霍尔电压输出端子，称这种结构为霍尔片，在霍尔片上焊引出线，外面封装上非磁性金属、陶瓷或环氧树脂等外壳即成为霍尔元件，在C、D两输出端子输出霍尔电压。2霍尔元件

3、2.1霍尔元件结构2.2霍尔角霍尔元件电场E和电流密度Jn不在同一方向，它们间夹角θH称为霍尔角tanθH=Ey/Ex霍尔片的几何尺寸对电场和霍尔电压有影响，电流控制电极对霍尔电压存在短路作用。另外，几何形状也影响了霍尔电压和内阻的大小。2.3霍尔元件驱动方式2霍尔元件VH=RHICB/d恒流驱动：VH=(W/L)VinμnB恒压驱动：2.4形状系数VH（x=0）=VH（x=L）=0VH=（RHICB/d）f(L/W,θH)考虑影响后改写为：f(L/W,θH)称为形状效应系数霍尔元件时通常选择L/W＞2。2.5制造工艺

4、2霍尔元件分立元件型和集成电路型在分立元件型中，由于材料和制造工艺的不同，分为单晶型和薄膜型。单晶型霍尔元件工艺硅、锗、砷化镓和锑化铟等材料：氧化、腐蚀、光刻、扩散、制作电极、焊接引线、涂保护层、中测和封装等。高阻率的单晶，直接制作欧姆接触良好的电极比较困难。采用多种金属合金方法降低接触点整流效应和接触电阻，通常在浓磷N+接触孔上镀一层金属镍，高温处理后使镍扩散到N+区。再镀一层金属作为引线焊接点，形成良好的欧姆接触。平面工艺：合金化工艺：（4）阴极溅射多晶InSb，在基片上形成多晶InSb薄膜。2霍尔元件薄膜霍尔元件

5、工艺材料：InSb薄膜工艺：（1）用两个蒸发源分别蒸发In和Sb，在基片上形成多晶InSb薄膜；（2）将InSb粉末撒在高温蒸发源上，在基片上形成多晶InSb薄膜；（3）用蒸发源蒸发InSb，在蒸发源和基片之间安装一个离子化电源，使蒸发的InSb分子或分子团变成离子或离子团，然后沉积到基片上形成多晶InSb薄膜;2.6主要参数2霍尔元件（1）输入电阻Rin在规定条件下（一般B=0,Ic=0.1mA）控制（激励）电流两个电极之间的电阻。（2）输出电阻Rout在规定条件下（一般B=0,Ic=0.1mA），无负载情况时两个输

6、出电极之间的电阻。（3）额定控制电流IC在B=0时，环境温度为25℃的条件下，霍尔元件由焦耳热引起的温度升高10℃时，所通过的控制电流IC。（4）最大允许控制电流ICM霍尔元件在最高允许使用温度下的允许最大控制电流。一般元件Tj=80℃。（5）不等位电势VM额定控制电流作用下，无外加磁场时，输出（霍尔）电极间的开路电压不为零；2霍尔元件（6）不等位电阻RM不等位电势VM与控制电流IC之比；（7）磁灵敏度SBSB=VH/B（8）乘积灵敏度SHSH=VH/ICB=RH/d（9）霍尔电压温度系数（10）内阻温度系数（11）热

7、阻Rth霍尔元件工作时功耗每增加1W，霍尔元件升高的温度值称为它的热阻。α=VH/△Tβ=R/△T2.6主要参数2.7霍尔元件的补偿技术2霍尔元件造成测量误差的主要原因半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都是随温度变化而变化的。霍尔元件的性能参数，如内阻、霍尔电势等也将随温度变化而变化。（2）制造工艺的缺陷表现形式：（2）零点误差（1）温度变化引起的误差霍尔元件的补偿（2）零点补偿（1）温度补偿（1）半导体的固有特性恒流源并联电阻进行温度补偿2霍尔元件霍尔元件的补偿技术A温度补偿VH=RHICB/d温度升到T时，电

8、路中各参数变为温度为T0时分流电阻温度系数;输入电阻温度系数；升温前、后的霍尔电势不变经整理，忽略高次项后得2霍尔元件恒流源并联电阻进行温度补偿A温度补偿恒压源进行温度补偿2霍尔元件A温度补偿温度为T0时温度为T时教材上，未考虑r0的温度系数;B霍尔元件不等位电势的补偿2霍尔元件对不等位电势进行补偿，采用电桥平衡原理。根据A，B两