什么是半导体磁敏元件?

[拼音]：bandaoti cimin yuanjian

[外文]：semiconduct-magneticsensitive element

基于霍耳效应的半导体磁电转换传感器。在磁场测量以及利用磁场作为媒介对位移、速度、加速度、压力、角度、角速度、流量、电流、电功率等许多非电量测量中，半导体磁敏元件是一种重要的器件。磁敏元件分霍耳元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管等。主要材料有锑化铟、砷化铟、锗和硅等。这类器件的优点是结构简单，体积小，易于集成化，耐冲击，频响宽（从直流到微波），动态范围大，而且可以实现无接触检测，不存在磨损，抗污染，不产生火花，使用安全，寿命长，因此它在测量技术、自动控制和信息处理等方面有广泛的应用。

在半导体霍耳片（图1）的长度方向通入控制电流I,在平面法线方向外加磁场B，于是电子在磁场中受洛伦兹力,而向宽度方向偏移，因此在霍耳片两侧分别积累正负电荷并沿宽度方向产生霍耳电场。这一电场对电子产生的力阻止电子偏移。当电场力fE与洛伦兹力fL相平衡时,霍耳输出端电荷积累达到平衡,这就是霍耳效应。当磁感应强度B方向与霍耳片平面法线夹角为θ时,霍耳电压V=KIBcosθ,其中K 为霍耳元件灵敏度。当载流子为空穴时，它与电子运动方向相反，而洛伦兹力方向相同，所以产生的霍耳电压极性相反。霍耳元件主要用于磁场、转速、微小位移、加速度等的测量，是放音磁头、磁接近开关、同步传动装置、无刷直流电机、函数发生器、运算器、功率计、调制器、解调器、频谱分析、回转器、隔离器中的重要器件。

利用硅集成电路工艺把霍耳元件和功能线路集成在同一硅片上制成的磁敏器件，分为霍耳开关集成电路和霍耳线性集成电路。霍耳开关集成电路由霍耳元件、差分放大器、施密特触发器和输出级四个环节组成。它可靠性高,工作频带宽（从直流到100千赫左右），温度性能好，易实现数字化，结构简单，体积小，耐冲击。它可作为无触点开关，如键盘开关，接近开关，行程开关，限位开关等，可检测带有磁钢或导磁体的物体直线运动时的位置和速度，因而能检测产品数量、液面、旋转体的角位移、角速度、风速、流速，也可用于磁头编码。

利用半导体物理磁阻和几何磁阻效应制成的半导体磁敏元件。作为磁阻元件要求霍耳电势小而霍耳角大。常在扁长条霍耳片上蒸镀或溅射一层金属膜，利用光刻技术留下相距很近的环状栅格金属膜，相当于许多串联的扁形磁阻元件，能获得高的磁阻灵敏度。零磁场下电阻一般为几百欧，而磁感应强度为 1特斯拉时，其电阻比零磁场电阻增大12倍左右。弱磁场下，磁阻按(μB)2关系增加。在强磁场(μB＞1)下磁阻随磁感应强度按线性规律变化。为获得较好的线性特性,应选择迁移率比较高的半导体材料（如 n型锑化铟）。磁阻元件中的载流子在电场中漂移很短，频率响应极佳。磁阻元件是二端元件，特殊的有三端和四端元件，还有磁阻集成电路。主要用于位移和角度的检测和无触点电位器等。

1967～1968年，日本先后研制成硅、锗磁敏二极管。这类新型器件的转换灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍。磁敏二极管是P+-i-n+型长二极管（i表示近本征型半导体）。其原理是在外加电压的作用下，由P+、n+区向i区注入载流子（空穴与电子），此时它们若受到垂直于载流子运动方向的磁场H +的作用便向复合区偏转。载流子在复合区的复合概率高于i区,因而寿命缩短,减小有效扩展长度,使i区压降增加，P+-i结和i-n+结的结偏压下降,通过i区的电流减小。在相反磁场H -的作用下，上述过程则相反。因此可用以测量磁场。磁敏二极管适用于测量弱磁场（如用于地磁测量仪），可制成借助磁场触发的无触点开关。例如利用导线周围的磁场制成无接触电流表，利用磁场变化制成调制器、自动增益控制电路和无触点电位器，以及同其他器件组合制成直流无刷电机等。它在自动化仪表中的应用潜力很大。

磁敏三极管是在磁敏二极管的基础上研制出来的。它的一端为集电极c和发射极e(n+区)、另一端P+区为基极b（图3）。磁场的作用使集电极的电流增加或减少。它的电流放大倍数虽然小于 1，但基极电流和电流放大系数均具有磁灵敏度，因此可以获得远高于磁敏二极管的灵敏度。磁敏三极管是尚处于研制阶段的新型器件,凡是应用霍耳元件,磁阻元件和磁敏二极管的地方均可用磁敏三极管来代替。磁敏三极管尤其适用于某些需要高灵敏度的场合，如微型引信、地震探测等方面。

参考书目

吴训一主编：《自动检测技术》,机械工业出版社,北京，1981。