半導(dǎo)體磁敏元件簡(jiǎn)介
??????? 基于霍耳效應(yīng)的半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換傳感器。在磁場(chǎng)測(cè)量以及利用磁場(chǎng)作為媒介對(duì)位移、速度、加速度、壓力、角度、角速度、流量、電流、電功率等許多非電量測(cè)量中，半導(dǎo)體磁敏元件是一種重要的器件。磁敏元件分霍耳元件、磁阻元件、磁敏二極管、磁敏三極管等。主要材料有銻化銦、砷化銦、鍺和硅等。這類器件的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，易于集成化，耐沖擊，頻響寬（從直流到微波），動(dòng)態(tài)范圍大，而且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸檢測(cè)，不存在磨損，抗污染，不產(chǎn)生火花，使用安全，壽命長(zhǎng)，因此它在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制和信息處理等方面有廣泛的應(yīng)用。
霍耳元件 在半導(dǎo)體霍耳片（圖1）的長(zhǎng)度方向通入控制電流I,在平面法線方向外加磁場(chǎng)B，于是電子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力,而向?qū)挾确较蚱?，因此在霍耳片兩?cè)分別積累正負(fù)電荷并沿寬度方向產(chǎn)生霍耳電場(chǎng)。這一電場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生的力阻止電子偏移。當(dāng)電場(chǎng)力fE與洛倫茲力fL相平衡時(shí),霍耳輸出端電荷積累達(dá)到平衡,這就是霍耳效應(yīng)。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B方向與霍耳片平面法線夾角為θ時(shí),霍耳電壓V=KIBcosθ,其中K 為霍耳元件靈敏度。當(dāng)載流子為空穴時(shí)，它與電子運(yùn)動(dòng)方向相反，而洛倫茲力方向相同，所以產(chǎn)生的霍耳電壓極性相反?；舳饕糜诖艌?chǎng)、轉(zhuǎn)速、微小位移、加速度等的測(cè)量，是放音磁頭、磁接近開(kāi)關(guān)、同步傳動(dòng)裝置、無(wú)刷直流電機(jī)、函數(shù)發(fā)生器、運(yùn)算器、功率計(jì)、調(diào)制器、解調(diào)器、頻譜分析、回轉(zhuǎn)器、隔離器中的重要器件。
半導(dǎo)體磁敏元件
霍耳集成電路 利用硅集成電路工藝把霍耳元件和功能線路集成在同一硅片上制成的磁敏器件，分為霍耳開(kāi)關(guān)集成電路和霍耳線性集成電路?；舳_(kāi)關(guān)集成電路由霍耳元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)四個(gè)環(huán)節(jié)組成。它可靠性高,工作頻帶寬（從直流到100千赫左右），溫度性能好，易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，耐沖擊。它可作為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，如鍵盤開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)等，可檢測(cè)帶有磁鋼或?qū)Т朋w的物體直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置和速度，因而能檢測(cè)產(chǎn)品數(shù)量、液面、旋轉(zhuǎn)體的角位移、角速度、風(fēng)速、流速，也可用于磁頭編碼。
磁阻元件 利用半導(dǎo)體物理磁阻和幾何磁阻效應(yīng)制成的半導(dǎo)體磁敏元件。作為磁阻元件要求霍耳電勢(shì)小而霍耳角大。常在扁長(zhǎng)條霍耳片上蒸鍍或?yàn)R射一層金屬膜，利用光刻技術(shù)留下相距很近的環(huán)狀柵格金屬膜，相當(dāng)于許多串聯(lián)的扁形磁阻元件，能獲得高的磁阻靈敏度。零磁場(chǎng)下電阻一般為幾百歐，而磁感應(yīng)強(qiáng)度為 1特斯拉時(shí)，其電阻比零磁場(chǎng)電阻增大12倍左右。弱磁場(chǎng)下，磁阻按(μB)2關(guān)系增加。在強(qiáng)磁場(chǎng)(μB＞1)下磁阻隨磁感應(yīng)強(qiáng)度按線性規(guī)律變化。為獲得較好的線性特性,應(yīng)選擇遷移率比較高的半導(dǎo)體材料（如 n型銻化銦）。磁阻元件中的載流子在電場(chǎng)中漂移很短，頻率響應(yīng)極佳。磁阻元件是二端元件，特殊的有三端和四端元件，還有磁阻集成電路。主要用于位移和角度的檢測(cè)和無(wú)觸點(diǎn)電位器等。
磁敏二極管 1967～1968年，日本先后研制成硅、鍺磁敏二極管。這類新型器件的轉(zhuǎn)換靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍。磁敏二極管是P+-i-n+型長(zhǎng)二極管（i表示近本征型半導(dǎo)體）。其原理是在外加電壓的作用下，由P+、n+區(qū)向i區(qū)注入載流子（空穴與電子），此時(shí)它們?nèi)羰艿酱怪庇谳d流子運(yùn)動(dòng)方向的磁場(chǎng)H +的作用便向復(fù)合區(qū)偏轉(zhuǎn)。載流子在復(fù)合區(qū)的復(fù)合概率高于i區(qū),因而壽命縮短,減小有效擴(kuò)展長(zhǎng)度,使i區(qū)壓降增加，P+-i結(jié)和i-n+結(jié)的結(jié)偏壓下降,通過(guò)i區(qū)的電流減小。在相反磁場(chǎng)H -的作用下，上述過(guò)程則相反。因此可用以測(cè)量磁場(chǎng)。磁敏二極管適用于測(cè)量弱磁場(chǎng)（如用于地磁測(cè)量?jī)x），可制成借助磁場(chǎng)觸發(fā)的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。例如利用導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)制成無(wú)接觸電流表，利用磁場(chǎng)變化制成調(diào)制器、自動(dòng)增益控制電路和無(wú)觸點(diǎn)電位器，以及同其他器件組合制成直流無(wú)刷電機(jī)等。它在自動(dòng)化儀表中的應(yīng)用潛力很大。
半導(dǎo)體磁敏元件
磁敏三極管 磁敏三極管是在磁敏二極管的基礎(chǔ)上研制出來(lái)的。它的一端為集電極c和發(fā)射極e(n+區(qū))、另一端P+區(qū)為基極b（圖3）。磁場(chǎng)的作用使集電極的電流增加或減少。它的電流放大倍數(shù)雖然小于 1，但基極電流和電流放大系數(shù)均具有磁靈敏度，因此可以獲得遠(yuǎn)高于磁敏二極管的靈敏度。磁敏三極管是尚處于研制階段的新型器件,凡是應(yīng)用霍耳元件,磁阻元件和磁敏二極管的地方均可用磁敏三極管來(lái)代替。磁敏三極管尤其適用于某些需要高靈敏度的場(chǎng)合，如微型引信、地震探測(cè)等方面。