半导体敏感元件(磁敏)

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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。 ,霍尔元件升高的温度值称为它的热阻。 霍尔元件工作时功耗每增加
SB=VH/B SH= VH/ICB=RH/d α= VH/△T β= R/△T △
2 霍尔元件
2.8 霍尔元件的补偿技术

造成测量误差的主要原因
阳 工
(1)半导体的固有特性 ) 半导体材料的电阻率、 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
注:控制电流的方向或磁场方向改变时,输出霍尔电势的方向也改变。当磁 控制电流的方向或磁场方向改变时,输出霍尔电势的方向也改变。 霍尔电势的方向也改变 场与电流同时改变方向时,霍尔电势并不改变方向。 场与电流同时改变方向时,霍尔电势并不改变方向。 势并不改变方向
2 霍尔元件
2.1霍尔元件结构 霍尔元件结构
A 温度补偿 恒压源进行温度补偿
已知:霍尔系数温度系数- 已知:霍尔系数温度系数-α 输入电阻温度系数- 输入电阻温度系数-β 电阻 r0 温度系数- 温度系数- 求解 r0
δ
2 霍尔元件 沈 阳 工 业 大 学
若不考虑r 的温度系数; 若不考虑 0的温度系数
r0 = ( β − α ) R0
A 温度补偿
2 霍尔元件 2.7 主要参数 沈 阳 工 业 大 学
(1)输入电阻Rin )输入电阻
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。 控制( 在规定条件下(一般 控制 激励)电流两个电极之间的电阻。
(2)输出电阻 out )输出电阻R
在规定条件下(一般B=0, Ic =0.1mA ),无负载情况时两个输出电极之间的电阻。 无负载情况时两个输出电极之间的电阻。 在规定条件下(一般 无负载情况时两个输出电极之间的电阻
200200 5 -10 200-800 200-800 > 5 4040-290 8080-600 8080-120 150150-250 40 8-60 8-60 8080-400 8080-400 30 8-65 8-65 8080-430 8080-430 5050-110
250240250-550 240-550
2 霍尔元件 沈 阳 工 业 大 学 2.6 制造工艺
分立元件型和 分立元件型和集成电路型
单晶型和 单晶型和薄膜型
单晶型霍尔元件工艺 材料: 材料:硅、锗、砷化镓和锑化铟等 平面工艺: 平面工艺: 、腐蚀、光刻、扩散、制作电极、焊接引线、中测和封装等。 氧化、 氧化 腐蚀、光刻、扩散、制作电极、焊接引线、中测和封装等。 合金化工艺: 合金化工艺: N型高阻单晶直接制作良好的电极比较困难。采用多种金属合金方 型高阻单晶直接制作良好的电极比较困难。 型高阻单晶直接制作良好的电极比较困难 法降低接触点整流效应和接触电阻,通常在浓磷 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 再镀一层金属作为引线焊接点, 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。 形成良好的欧姆接触。
恒压源进行温度补偿
E B R0 + r0
温度为T 温度为 0时 U H 0 = K H 0 I 0 B = K H 0
温度为T时 温度为 时 U H = K H IB = (1 + αt ) K H 0
型号
EA218 FA24 VHG-110 AG1 MF07FZZ MF19FZZ MH07FZZ MH19FZZ KH-400A
材料
霍尔 电压 (mV, 0.1T)
> 8.5 > 13
输入 电阻 (Ω)
3 6.5
输出 电阻 (Ω)
1.5 1.5 2.4
不等 灵敏度 位电 (mV/m 势 A.T) (mV)
RP 0 (1 + β∆T ) I2 = Is = IS RP + Ri RP 0 (1 + β∆T ) + Ri 0 (1 + δ∆T ) Rp
2 霍尔元件 沈 阳 工 业 大 学
KH0 RP0 R P 0 (1 + β ∆ T ) I s = K H 0 (1 + α ∆ T ) IS R P 0 + Ri0 R P 0 (1 + β ∆ T ) + R i 0 (1 + δ ∆ T )
2.5 形状系数
VH(x=0)= VH(x=L)=0 ( ) ( )
形状效应系数
( ) 考虑影响后: 考虑影响后: VH=(RHICB/d)f(L/W, θH)
通常选择L/W>2,为减小控制电极的短路作用,输出电极取在中心位置, > ,为减小控制电极的短路作用,输出电极取在中心位置, 通常选择 小于长度1/10。 。 小于长度
设 KH=RH / d
VH= KH I B
乘积灵敏度。与材料的物理性质和几何尺寸有关, KH—乘积灵敏度。与材料的物理性质和几何尺寸有关,表示单位磁感应强 度和单位控制电流时,霍尔电势的大小。 度和单位控制电流时,霍尔电势的大小。
方向与霍尔器件平面法线夹角为θ时 霍尔电势为: 若B方向与霍尔器件平面法线夹角为 时,霍尔电势为: VH= KH I B cosθ 方向与霍尔器件平面法线夹角为
2 霍尔元件 沈 阳 工 业 大 学 2.7 主要参数
(6)不等位电阻 M不等位电势 M与控制电流 C之比; )不等位电阻R 不等位电势V 与控制电流I 之比; (7)磁灵敏度 B )磁灵敏度S (8)乘积灵敏度 H )乘积灵敏度S (9)霍尔电压温度系数 ) (10)内阻温度系数 ) (11)热阻 th )热阻R
当达到动态平衡时
qvB = qV H / w
VH = BI nqd
1 RH = = ρµ nq
I = nqVx wd
1.半导体的磁敏效应 1.半导体的磁敏效应
1.2 霍尔系数
1 = − ρµ qn 1 RH ≈ = ρµ qp RH ≈ − (N型) (P型)
沈 阳 工 业 大 学

效应、磁阻效应、热磁效应和光磁电效应等。 效应、磁阻效应、热磁效应和光磁电效应等。
阳 工 业 大 学
1.1霍尔效应 霍尔效应
IB VH = RH ⋅ d
洛仑兹力: 洛仑兹力:
RH—霍尔系数,由载流材料物理性质决定 霍尔系数, 霍尔系数 由载流材料物理性质决定;
f L = qvB
电场力: 电场力:
f E = qE H = qV H / w
2 霍尔元件 2.4霍尔元件 2.4霍尔元件驱动方式 霍尔元件驱动方式 沈 阳 工 业 大 学
V 恒压驱动: 恒流驱动: 恒流驱动: H=RHICB/d 恒压驱动: VH=(W/L)VinµnB
霍尔片的几何尺寸对霍尔电压有影响, 霍尔片的几何尺寸对霍尔电压有影响,电流控制电极对霍尔电压存在短 路作用,几何形状也影响霍尔电压和内阻的大小。 路作用,几何形状也影响霍尔电压和内阻的大小。
A 温度补偿
恒流源并联电阻进行温度补偿
升温前、 升温前、后的霍尔电势不变
U H 0 = K H 0 I 20 B = U H = K H I 2 B
K H 0 I 20 = K H I 2
2 经整理, 经整理,忽略 αβ ∆T 高次项后得
RP 0 =
δ − β −α Ri 0 α
2 霍尔元件 沈 阳 工 业 大 学
温度为T 温度为 0时
I 20 =
A 温度补偿
恒流源并联电阻进行温度补偿 VH=RHICB/d
RP 0 Is RP 0 + Ri 0
温度升到T时,电路中各参数变为 温度升到 时
RP = RP 0 (1 + β∆T )
Ri = Ri 0 (1 + δ∆T )
β δ
分流电阻温度系数; 分流电阻温度系数 输入电阻温度系数; 输入电阻温度系数;
半导体磁敏元件及传感器
本章内容
沈 阳 工 业 大 学 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.半导体的磁敏效应
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 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
2 霍尔元件
薄膜霍尔元件工艺
沈 阳 工 业 大 学
材料: 材料: InSb薄膜 薄膜 工艺: 工艺: 用两个蒸发源分别蒸发 薄膜; (1)用两个蒸发源分别蒸发 和Sb,在基片上形成多晶 用两个蒸发源分别蒸发In和 ,在基片上形成多晶InSb薄膜; 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; ) 粉末撒在高温蒸发源上,在基片上形成多晶 薄膜; 粉末撒在高温蒸发源上 薄膜 (3)用蒸发源蒸发 )用蒸发源蒸发InSb,在蒸发源和基片之间安装一个离子化电 , 分子或分子团变成离子或离子团, 源,使蒸发的InSb分子或分子团变成离子或离子团,然后沉 使蒸发的 分子或分子团变成离子或离子团 积到基片上形成多晶InSb薄膜 薄膜; 积到基片上形成多晶 薄膜 (4)溅射多晶InSb,在基片上形成多晶InSb薄膜。 )溅射多晶 ,在基片上形成多晶 薄膜。 薄膜
业 大
而变化,性能参数,如内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。 而变化,性能参数,如内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。
(2)制造工艺的缺陷 )

表现形式: 表现形式: (1)温度变化引起的误差 (2)零点误差 ) ) (1)温度补偿 )
霍尔元件的补偿
(2)零点补偿 )
2 霍尔元件 沈 阳 工 业 大 学
金属材料:电子 很高 很高, 很小; 金属材料:电子µ很高,但ρ很小; 很小
绝缘材料: 很高 很高, 很小; 绝缘材料:ρ很高,但µ很小; 很小
为获得较强霍尔效应,霍尔片大多采用半导体材料制成; 为获得较强霍尔效应,霍尔片大多采用半导体材料制成;由于电子迁 移率比空穴大,一般采用 型材料。 移率比空穴大,一般采用N型材料 采用 型材料。
沈 阳 工 业 大 学
A,B 为控制电流端子,C,D 为霍尔电压输 , 为控制电流端子, , 出端子,称霍尔片,在霍尔片上焊引出线,外 出端子,称霍尔片,在霍尔片上焊引出线, 面封装上非磁性金属、 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, 即成为霍尔元件,在C、D 两输出端子输出霍 、 尔电压。 尔电压。
(5)不等位电势 M )不等位电势V
额定控制电流下,无外加磁场时,输出(霍尔)电极间的开路电压不为零; 额定控制电流下,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 沈 阳 工 业 大 学 2.7 主要参数
控制 电流 (mA)
100 100 5 20max 10 10 1V 1V 5
> 0.35 >0.75 3030-220 >2.5 _ _ _ _ 5050-1100 <0.5 <1 <VH 的 20% _ ±10 ±10 ±10 ±10 10
VH 温 度 系 数 (%/ ℃)
0.1 0.07 -0.05 -0.02 -2 -2 -0.3 -0.3 <-0.3 0.3
InAs InAsP GaAs Ge InSb InSb InSb InSb InSb
(3)额定控制电流 C )额定控制电流I
在B =0时,环境温度为 ℃的条件下,霍尔元件由焦耳热引起温度升高 时 环境温度为25℃的条件下, 10℃时,通过的控制电流IC。 ℃ 通过的控制电流
(4)最大允许控制电流ICM )最大允许控制电流
允许最大控制电流。一般元件T 在最高允许使用温度 下,允许最大控制电流。一般元件 j=80℃。 ℃
VH
(3)控制电压 ; )控制电压V; (4)输出电阻R2; )输出电阻 (5)输入电阻 1; )输入电阻R (6)霍尔负载电阻 3; )霍尔负载电阻R (7)霍尔电流 H。 )霍尔电流I
使用时,器件输入信号可以是 或 ,或者IB,而输出可以正比于 而输出可以正比于I或 使用时 器件输入信号可以是I或B,或者 而输出可以正比于 或B, 器件输入信号可以是 或者正比于其乘积IB。 或者正比于其乘积 。
BI c VH = RH d
2.2 霍尔角 霍尔元件电场E 和电流密度J 不在同一方向,它们间夹角θ 霍尔元件电场 和电流密度 n不在同一方向,它们间夹角 H称为霍尔角 tanθH=Ey/Ex
2 霍尔元件 沈 阳 工 业 大 学 R E I B V 2.3 霍尔元件 霍尔元件基本电路 IH R3
(1)控制电流 ; )控制电流I; (2)霍尔电势 H; )霍尔电势V
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