（微电子学与固体电子学专业论文）基于硅磁敏二极管开关电路的设计.pdf

中文摘要 中文摘要 磁敏= 极管是二十世纪七十年代迅速发展起来的一种新型磁敏器件，它具有 磁灵敏度高、体积小、响应速度快等优点。用它可以判断磁场方向和检测磁场强 度，因而其在磁场测量以及工业自动控制等方面得到了广泛的应用。 本课题是在对磁敏二极管的工作原理、设计制备及特性等问题进行研究分析 的基础上，对黑龙江大学生产的2 d c m 2 型硅磁敏二极管的特性参数作了测量和分 析，并根据其性能特点设计制作了一个可以广泛应用的磁敏开关电路。实验结果 表明，2 d c m 2 型硅磁敏二极管样品具有比较理想的伏安特性曲线( 导通电流在 1 5 m a 3 0 m a 时有较好的线性关系) 和较高的磁灵敏度；制作的磁敏开关电路外 加正向磁场时，在线性段上其压降在8 v 上下发生明显的改变，完全达到磁敏开关 电路的设计要求。 本文同时对实验结果中硅磁敏二极管样品所出现的负阻特性及温度补偿方法 进行了简单的分析讨论，为进一步提高硅磁敏二极管性能，利用其制作准确的量 化测量仪器提供了基础。 关键词：硅磁敏二极管；负阻特性；开关电路；磁传感器 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e t i cd i o d es e v e n t i e sw h i c hd e v e l o p si nt h et w e n t i e t hc e n t u r yr a p i d l yi sa n e w t y p eo fm a g n e t i cd e v i c e ，w h i c hh a sh i g h m a g n e t i cs e n s i t i v i t y ，s m a l ls i z e ，f a s tr e s p o n s e a n ds oo n i tc a nb eu s e dt od e t e r m i n ea n dd e t e c tt h em a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o na n d m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h , a n dt h u si ti sa p p l i e dw i d e l yi nm a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n ta n d i n d u s t r i a la u t o m a t i o na n do t h e ra s p e c t s t h i st o p i cb a s e do nt h ew o r k so fm a g n e t i cd i o d e ，d e s i g ni s s u e ss u c ha sp r e p a r a t i o n a n dc h a r a c t e r i s t i c so fr e s e a r c ha n da n a l y s i s ，m e a s u r e sa n da n a l y z e st h eh e i l o n g i i a n g u n i v e r s i t y2 d c m 2s i l i c o nd i o d ec h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t i cp a r a m e t e r s ，a n da c c o r d i n g t ot h e i rp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sd e s i g n sam a g n e t i cs w i t c hc i r c u i tw h i c hc a nb e w i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s t h er e s u l t ss h o wt h a t , 2 d c m 2m a g n e t i cs i l i c o ns a m p l e s h a v ei d e a ld i o d ev o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e ( ag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pw h e n 15 m a 3 0 m ac u r r e n tw a st u r n e do n ) a n dh i g hm a g n e t i cs e n s i t i v i t y t h em a g n e t i c s w i t c hc i r c u i te x e r t e db yp o s i t i v em a g n e t i cf i e l dh a sao b v i o u sc h a n g ei nt h el i n e a r s e g m e n t o ft h ep r e s s u r ed r o pa tt h e8 v ，w h i c hf u l l ym e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h en e g a t i v er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n d t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o d sa r i s i n gf r o mt h es a m p l e ，i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fs i l i c o nm a g n e t i cd i o d ea n dm a n u f a c t u r ea c c u r a t e l y q u a n t i t a t i v e m e a s u r i n g i n s t r u m e n t so nt h eb a s i so fi t k e yw o r d s ：s i l i c o nm a g n e t i cd i o d e s ：n e g a t i v er e s i s t a n c ec h a r a e t e ns w i t c h i n g c i r c u i t s ：m a g n e t i cs e n s o r s 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 二十一世纪将是一个信息革命的时代。信息技术是建立在信息获取、信息传 输、信息处理三大基础之上的技术，与之相对应的就是传感技术、通信技术和计 算机技术，它们构成了信息技术的感官系统、神经系统和大脑，其中关键的当推 传感技术。传感技术直接影响到检测控制系统和信息系统的技术水平，同时也起 到促进传统产业和行业技术的进步作用，及拓展和涉足新的非传统领域应用的作 用。 如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换、信 息处理，还是数据的显示与控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的 传感器，就没有自动检测和控制系统。现代检测与控制系统需要各种传感器去检 测大量原始数据并提供信息；在工业生产尤其是自动化生产过程中，也需要用各 种传感器来监视和控制生产过程中的各个环节，可见传感器有广大的应用领域。跚 目前传感器已经广泛应用于航空航天、军事工程、机器人技术、工业自动化、汽 车工业、海洋探测、医疗诊断、环境检测等众多领域，己经渗透到人类生活的各 个方面。 、 磁传感器主要由磁敏感元器件构成，磁敏感元器件是对磁场敏感且又能把磁 信号转换成电信号的一种磁电转换元器件。因此，磁传感器的核心就是磁敏感元 器件。例如，利用磁钢对磁敏感元器件的相对距离变化关系，可以做成位移、速 度、加速度及压力等传感器。磁敏感元器件的工作基础是磁敏感效应，也就是说 磁传感器是在许多磁敏感效应的基础上开发出来的。总括起来，这种磁敏感的物 理效应有磁感应效应、霍尔效应、磁阻效应、p _ n 结注入效应、量子效应( 如核磁 共振效应、约瑟夫逊效应、磁光效应等) 、韦根德效应、磁致伸缩效应等。磁传感 器是传感器产品的一个重要组成部分，由于其具有体积小、灵敏度高和可集成化 黑龙江大学硕士学位论文 i z _ 等优点，在军事和民用上都有广泛的应用，如无触点开关、无触点电位器、无刷 直流电机、无人驾驶航天器、重武器转角测量、制造侦察装置、电子水表、位移 和加速度测量等。随着我国磁敏传感器技术的发展，其产品种类和质量将会得到 进一步发展和提高，必将在军事和民用上都有更为广大的应用领域。 磁敏二极管是二十世纪七十年代迅速发展起来的一种新型磁敏器件，与霍尔 元件相比具有灵敏度高、响应速度快等优点。其灵敏度比霍尔元件大1 - - , 2 个数量 级。嘲基于硅的半导体磁敏传感器可以直接应用于测量磁场方向和强度的各种磁场 计和读取磁介质上信息的各类磁头；也可以间接应用于把磁场作为媒介用来探测 非磁信号的测量器件，如位移测量、转速测量、电流计以及工业自动控制的各种 触点开关等。目前实用的磁敏二极管有锗、硅磁敏二极管，它们都是具有长“基 区一p + i n * 型二极管结构。p w 型二极管处于正向偏置时，p + i 结、n 1 结分别向i 型区注入空穴和电子。因此，这种磁敏二极管也叫做双注入长二极管弦目。本论文 的主要目的是通过对磁敏二极管工作原理和结构设计的研究，再对硅磁敏二极管 的磁灵敏度、输出特性、温度特性、频率特性等进行测试分析，把硅磁敏二极管 和开关处理电路设计在一起，制作一个可以广泛应用的磁敏开关电路。 1 2 磁传感器发展简史 1 8 5 7 年，英国物理学家威廉汤姆森发现材料的电阻会因为外加磁场而 增加或减少，称电阻的这种变化为磁阻效应。它在金属里可以忽略，在半导 体中则可能由小到中等。 1 8 7 9 年，美国人霍尔在研究通电流的长方形金属片受磁场的作用时，发现金 属片两侧能产生一定的电位差，即霍尔效应。由于金属的自由电子浓度很大，这 种霍尔电压非常微弱，不可能用它做磁传感器，所以，当时没有引起人们的重视。 1 9 1 0 年，人们用铋金属制成霍尔元件，试图检测磁场，但是它的霍尔输出电 压非常微弱，未能获得成功。当时由于未找到更合适的材料，使霍尔元件的试制 弟l 苹绪论 工作处于停滞不前的状态。嘲 1 9 4 8 年以后，由于半导体材料及其技术迅速发展，人们找到了比秘霍尔效应 更显著的半导体材料g e 和s i ，使霍尔元件作为一种磁传感器进入了实用阶段。5 0 年代后半期，又给开发霍尔元件提供了高迁移率的半导体材料。这样，霍尔元件 和磁敏电阻的研究、开发和应用进入了真正的实用阶段。m 1 9 5 8 年，史塔也夫研究了单注入长二极管的磁敏感效应，第二年他在实验室 首先研制了磁敏二极管。并于1 9 6 1 年试制了锗磁敏二极管。 2 0 世纪5 0 年代末，国外利用磁阻效应研制出了磁阻元件。磁阻元件发展很快， 在日本、西德等一些技术先进的国家，许多类型的磁阻元件都达到了商品化的程 度，并以这些敏感元件为核心制造了磁敏电阻传感器。 1 9 6 1 年，约瑟夫逊发现了弱连结超导金属中间夹几+ a 绝缘层时仍有超导现象 的效应。这种效应实质上是超导金属之间的量子隧道效应。这种约瑟夫逊效应的 发现提供了开发更高灵敏度的新磁传感器的可能性。嘲6 0 年代，研制出了利用约 瑟夫逊效应的超导量子干涉器件( s q t n d ) 。 1 9 6 8 年b o s c h 提出将霍尔元件集成9 0 s i 的双极型集成电路中，制成霍尔集成电 路，由此人们开始了霍尔集成电路的研究。同年，日本索尼公司研制了具有高复 合区的双注入锗、硅磁敏二极管，使结型磁敏管进入了实用化阶段。 1 9 7 4 年美国物理学家韦根特就发现：经过适当处理过的合金丝的金相会发生 变化，其外壳矫顽力比内芯矫顽力大得多，依靠这种磁性的差异及一定的外加磁 场条件，可以使内芯的磁化方向与外壳的磁化方向相同或相反，而且用确定的外 磁场可以重复这种磁化改变。这种现象被称作“韦根效应一。嘲 1 9 7 5 年，黑龙江大学敏感技术研究所在国内首先采用合金烧结工艺制造了锗、 硅磁敏二极管和磁敏三极管，并开辟了许多应用领域。 2 0 世纪7 0 年代末，前苏联电工仪表研究所报道了他们采用合金烧结工艺制造 了像锗磁敏三极管那样的矩形板状立体标准结构的硅磁敏三极管，而采用平面工 艺在硅表面制造像锗磁敏三极管那样具有矩形板状立体标准结构n m 2 3 的硅磁敏三 黑龙江大学硕士学位论文 极管。 2 0 世纪7 0 年代末，美国科学家发现了量子霍尔效应并因此获得了1 9 8 5 年的诺 贝尔物理学奖。 ， 进入2 0 世纪8 0 年代。随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展， 霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现 了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。n 帕 1 9 8 8 年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象。2 0 0 7 年1 0 月，科学界的最高盛典一瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。本年度， 法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得格林贝格尔因分别独立发现巨 磁阻效应而共同获得2 0 0 7 年诺贝尔物理学奖。 。 1 3 磁传感器研究状况及发展趋势 自从1 9 世纪磁阻效应和霍尔效应发现后，使磁电理论得到进一步的发展。早 在1 9 1 0 年就有人用秘制成了霍尔元件，用以测量磁场。2 0 世纪中叶由于半导体材 料的迅猛发展，人们找到了比秘霍尔效应更显著的半导体材料锗和硅，之后人们 又开发了高迁移率的化合物半导体材料i n s b 、i n a s ，进一步促进了霍尔元件和磁阻 元件的研究、开发和应用。 自2 0 世纪6 0 年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔元件和信 号处理电路集成在同一个芯片上的集成霍尔传感器。这是霍尔传感器发展的一个 重要方向。因为采用集成传感器可简化电路设计，节省安装、调试时间，减少系 统部件，增加可靠性，同时由于生产的自动化程度高，可大大降低生产成本。n 目 随着半导体器件微加工工艺水平的提高，磁传感器已达到微型化程度。在掺 c r 的半绝缘砷化镓片上应用离子注入技术，现已研究成功有源区面积为2 2 m 2 、 有效芯片面积为4 4 m 2 的高灵敏度砷化镓霍尔元件。为检测磁泡尺寸及其分布 的需要，又提出了二维霍尔元件阵列化的问题。因此，霍尔元件当前的发展方向 第l 苹绪论 是高灵敏度、小型和阵列化。近年来，随着半导体工艺水平的发展，霍尔元件和 磁阻元件的性能有了进一步的提高，现已发展到薄膜化、硅集成化的阶段。 硅单晶的电子迁移率很低，不适于用它做高灵敏度的霍尔元件。但是，利用 硅平面集成电路的微电子技术，研制成功了硅霍尔集成电路。目前，硅霍尔集成 电路有双极型和m o s 型两种类型，又分为开关和线性霍尔集成电路两种产品。目 前，霍尔集成电路日趋完善。在霍尔集成电路中不但设有放大、整形、输出级， 而且还设有比较理想的温度补偿电路、稳压电路及各种瞬态保护电路。2 0 世纪7 0 年代中期，霍尔开关集成电路的静态工作电流最小为1 5 - 一2 5 m a 。目前，这种静态 工作电流已降到2 5 m a ，不久将达到2 m a 以下，同时其他性能也大大超过早期的 电路。目前，对霍尔集成电路全面保护的主要障碍是对各种瞬态破坏缺乏全面的 了解。这也是当前要解决的一个主要问题。 霍尔m o s 集成电路发展很快。多功能霍尔集成电路，例如具有记忆功能和判 断功能的智能化霍尔集成电路也在开发中。 结型磁敏管的灵敏度比霍尔元件大1 2 个数量级。据报道，结型磁敏管对磁 场的分辨率已经达到1 0 呵t 。结型磁敏管的噪声是分辨率低的主要原因。结型磁敏 管的噪声主要是表面噪声和体内散粒噪声。体内深能级杂质对散粒噪声产生复杂 的影响。因此，研究磁敏管的噪声机理，是提高它的分辨率的重要途径。 结型磁敏管的集成化和多功能化也是当前研究的一个方向。集成化硅磁敏电 路有两种类型：一是由两只硅磁敏三极管按互补式和差分式温度补偿电路集成的 磁敏电路，或者由四到五只硅磁敏管集成的二维或三维磁矢量磁敏电路；二是同 具有一定功能或放大能力的电路相集成的电路。硅磁敏三极管与一般晶体管之间 集成化在技术上存在许多实际困难。因此，磁敏管和晶体管相匹配的集成电路尚 未达到实用程度。解决硅磁敏三极管与晶体管之间的匹配技术是开发智能化二维、 三维磁矢量集成传感器的关键。 磁性金属的定向磁阻效应和韦根德效应也是开发新型磁传感器的物理基础。 强磁性金属的磁阻元件和韦根德磁敏元件同半导体磁传感器相比较具有更好的特 黑龙江大学硕士学位论文 性，尤其是温度特性更优越。这些磁性金属多数为多晶合金。据报道，国外已研 制出了用非晶合金薄膜做的磁传感器，它的分辨率比多晶合金高几个数量级。用 非晶合金做的韦根德金属丝内层矫顽力及其反转时间比多晶金属丝分别低一个数 量级。据报道，目前先进国家正大力研究和开发非晶材料的新型磁传感器。 m e m s ( m i e r oe l e c t r o n i c sm e c h a n i s ms y s t e m ) 是微电子机械系统的英文缩写，被 美国前总统克林顿称为本世纪最重要的技术之一。m e m s 技术特点可概括：小尺 寸、多样化、微电子。硅立体加工新技术2 0 世纪末得到了较快的发展并且将成为 2 1 世纪硅微机械加工的重要技术，已经在微电子技术中得到了广泛的应用。采用 m e m s 技术研究硅磁敏三极管，可以实现理想化的立体结构，在此基础上可以采 用m e m s 技术进一步研制硅磁敏差分电路、专用硅磁敏集成电路。黑龙江大学敏 感技术研究所在国家自然科学基金委的资助下，于2 0 0 2 年采用m e m s 技术研制 硅磁敏三极管取得了可喜的成果，为继续开展这方面的研究工作奠定了基础：2 0 0 8 年，采用纳米技术与m e m s 技术相结合，首次研制成功了纳米硅单晶硅异质结 m o s f e t 压磁多功能传感器n 力，为压力和磁场同时测量提供了新的传感器，这一 项重大成果填补了国内外空白。 磁传感器的发展，在2 0 世纪7 0 - 8 0 年代形成高潮，9 0 年代是已发展起来的这 些磁传感器的成熟和完善时期。总之，几十年来磁敏感元器件发展非常迅速，稳 定性、可靠性、磁灵敏度都有较大提高。磁敏元器件在各种检测磁场和自动控制、 自动化领域都获得了广泛的应用。 第2 章磁敏效应与磁敏感元器件 第2 章磁敏效应与磁敏感元器件 2 1 磁敏感元器件的基本磁敏效应 磁敏元器件的工作基础是磁敏感效应。也就是说磁传感器是在许多磁敏感效 应的基础上开发出来的。总括起来，磁敏感效应有磁感应效应、霍尔效应、磁阻 效应、p n 结注入效应、量子效应( 如核磁共振效应、约瑟夫逊效应、光磁共振效 应、磁光效应等) 、韦根德效应、磁致伸缩效应等。表2 - 1 给出磁传感器按物理效 应的分类。 表2 - 1 磁传感器按物理效应的分类 t a b l e2 - 1t h ec l a s s i f i c a t i o no f m a g n e t i cs e l 岱o ra c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a le f f e c t s 物理效应磁传感器 磁传感应效应线圈、磁棒、天线 霍尔效应 h 、h m o s f e t 、h i c 磁阻效应半导体m r 、强磁性合金m r 注入效应m d 、m t 、m t 差分电路、m t 二维磁矢量器件 核磁共振效应 核磁共振仪 约瑟夫逊效应s q u i d 塞曼效应磁光谱仪 光磁效应光磁共振仪 韦根德效应 w d 磁致伸缩效应磁光纤传感器 2 1 1 霍尔效应 早在1 8 7 9 年，霍尔就发现了金属中的霍尔效应，但是其现象没有半导体材料 中的霍尔效应明显。图2 - 1 是霍尔效应的原理图。 在n 型半导体单晶薄片( 霍尔片) 的长度方向上通以电流i ，而在薄片平面的垂 黑龙江大学硕士学位论文 图2 1 霍尔效应原理图 。 f i g 2 1s c h e m a t i ch a l le f f e c t 直方向上施加磁感应强度为b 的磁场，则将使半导体内的载流子( 电子) 在洛伦兹 力的作用下，向垂直于电流和磁场的某一侧面偏转，并使该侧面形成电子积累而 带负电，同时因电中性的要求在另一侧面因电子浓度减少而带正电。这样，在两 侧面之间便形成了电场。它使电子运动时既受洛伦兹力的作用，同时又受到和它 相反的电场力的作用。最后，当两力相等时，电子的积累便达到了动态平衡。在 两侧面之间所建立的电场被称为霍尔电场，用e l i 表示，相应的电势被称为霍尔电 势或霍尔电压，用v h 表示。呻剐霍尔电压可表示为 = 等四= 等四 ( 2 1 ) 其中r 为霍尔系数由半导体材料性质所决定，p 为电阻率，为载流子迁移率， 这种效应就是半导体的霍尔效应。 2 1 2 磁阻效应 当霍尔片受到与电流方向相垂直的磁场作用时，不仅会因载流子在垂直方向 的磁场中因受洛仑兹力的作用而形成的霍尔电场，同时沿外加磁场方向的电流密 度也有所降低，由于磁场的存在，材料的电阻增大，这种现象称为磁阻效应。磁 第2 章磁敏效应与磁敏感元器件 阻效应由两部分组成。一部分由材料的物理性质所决定，称为材料的物理磁阻效 应；另一部分由材料的几何形状所决定，称为材料的几何磁阻效应。 2 1 2 1 物理磁阻效应 在霍尔元件中，设定材料中载流子运动的速度为平均速度。在载流子漂移的 过程中，它所受到的洛仑兹力和霍尔电场力是相等的。当外加磁场的磁感应强度 变化时，虽然洛仑兹力会随之变化，但霍尔电势亦同时产生相应的变化。 实际的情况是，半导体材料中截流小的速度分布是一种统计分布。那些以平 均速度运动的载流子，所受到的洛仑兹力和霍尔电场力相互平衡，载流子运动的 方向为外加电场所指定的方向。但那些比平均速度大的载流子，它所受到的洛仑 兹力将大于霍尔电场力，并沿洛仑兹力指定的方向偏转。那些比平均速度小的载 流子，所受到的霍尔电场力将大于洛兹力，并沿霍尔电场的方向偏转。这样的结 果，使得沿外加电场指定方向运动的载流子数目减少，表现为材料的电阻率增大。 这就是半导体的物理磁阻效应。显然，这种效应与材料所具有的几何形状是无关 的。半导体的物理磁阻效应一般比较小。在半导体磁敏电阻中，物理磁阻效应的 影响是非常微弱的。瞰1 2 1 2 2 几何磁阻效应 如图2 2 所示，在长为l ，宽为w ，厚为d 的半导体薄片的两端设有两个金 属电极，并由它引出两条引线，这样构成了一个简单的磁敏电阻。 卜一l 一 ( - ) 无磁场 。日 图2 2 几何磁阻效应 ( b ) 有磁场 f i g 2 - 2g e o m e t r i cm a g n e t o r e s i s t a n c e 在无磁场的情况下，流过磁敏电阻的电流路径如图2 - 2 ( a ) 所示。电流在垂 黑龙江大学硕士学位论文 直于电极的方向上沿直线从一个电极流向另一个电极。当我们在垂直于薄片的方 向上加有一定大小的磁感应强度b 时如图2 - 2 ( b ) ，由于磁场的作用，对流经薄片 的电流将产生一个洛仑兹力。同时考虑到金属电极的短路效应，电极附近电场的 方向应垂直于金属电极。因此，在磁敏电阻的两个金属电极附近，电流应按霍尔 角的方向流动。在偏离金属电极的中心部分，电流将逐渐按平行于侧面的方向流 动。这表示电流路径由于磁场的作用会产生一定的弯曲，其弯曲的程度与外加磁 感应强度有关。 在外加磁场的作用下，电流路径的弯曲使电流在半导体材料中的路径变长。 这种路径的增长表现为半导体材料的体电阻增加。嘲即在外加磁场不断变化时， 半导体材料的电阻将随之变化。 从上面的分析可以看出，在磁场的作用下，电流路径的弯曲主要发生在磁敏 电阻的两个金属电极附近。为了使半导体材料在一定的磁场作用下具有较大的电 阻变化率，可以适当缩小材料的长度l ，而不改变金属电极的大小。这样，金属电 极附近电流路径的弯曲虽然没有什么变化，但由于l 的缩短，整个材料的总电阻 变小，所以电阻变化率增加，磁阻效应增强。 2 2 磁敏感元器件 2 2 1 霍尔元件 霍尔元件是基于霍尔效应工作的一类半导体元件。一般用环氧树脂、塑料或 陶瓷封装。其芯片就是一块被称为霍尔片的矩形半导体单晶薄片，如图2 3 ( a ) 所示。在它的长度方向两端面上焊着两根引线，称为控制电流极；而在它的宽度 方向两端面的中心处以点接触的形式对称地焊着另外两根引线，称为霍尔电压输 出极嘲。因此，霍尔元件是二种四端元件，它的电路符号如图2 - 3 ( b ) 所示。 从式( 2 - i ) 可看出，当磁场方向或控制电流换向时，霍尔电压方向也随之改变； 第2 章磁敏效应与磁敏感元器件 但是当磁场方向或控制电流换同时改变方向时，霍尔电压方向并不改变。因此， 霍尔元件的控制电流极和霍尔电压输出极具有对称性，不存在正负极之分。 ( a ) 结构图彻电路符号 图2 - 3 霍尔元件的结构和电路符号 f i g 2 3s t r u c t u r eta n dc i r c u i ts y m b o l so f t h eh a l le l e m e n 根据霍尔效应原理，可以构成如图2 - 4 所示的霍尔元件的基本电路。当给霍 尔元件施加磁场时，在磁感应强度b 和控制电流i 的共同作用下，负载上便得到 一定的输出电压v o 和一定的输出电流i o 。实际使用时，b 或i 或二者同时可以作为 输入信号，而输出信号正比于b 或i 或二者的乘积m 。 + 图2 - 4 霍尔元件的基本电路 f i g 2 - 4t h eb a s i cc i r c u i to f t h eh a l le l e m e n t 霍尔元件的灵敏度l ( i l ，就是指在单位磁场感应强度和单位控制电流作用时， 所能输出的霍尔电压的大小。由于材料电阻率与载流子浓度和迁移率有关，要想 霍尔电压大，半导体材料的电阻率必须要高，而且迁移率也要大。虽然，金属导 黑龙江大学硕士学位论文 体的载流子迁移率很大，但金属导体的电阻率低，绝缘体电阻率很高，但其载流 子迁移率低。因此，只有半导体材料为最理想的霍尔元件材料。霍尔电压除了与 材料的载流子迁移率和电阻率有关，同时还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要 求霍尔元件的灵敏度越大越好，决定霍尔元件灵敏度的参数包括：材料的电阻率； 材料的厚度；形状效应系数。 霍尔元件的最大输出功率和输出效率均很小，磁电转换效率不高。为了提高 效率，一般选用锗( o e ) 、锑化铟( 1 n s b ) 、砷化铟( i n a s ) 和砷化镓( g a a s ) 等n 型半 导体单晶材料。除考虑以上因素之外，为使霍尔元件的性能良好，关键的制造工 艺是电极的欧姆接触和电极位置的对称性。争矧 霍尔元件具有线性的磁电转换特性，其应用主要有如下几个方面：测量磁感 应强度的大小及其分布：测量电流；磁场的变化和检测磁体( 或带磁钢的物体) 的 位置和位移，即可构成各种位置传感器和旋转传感器；各种无接触开关( 还需要外 接放大器和整形电路以便输出脉冲开关信号) ；无刷直流电机；函数发生器；运算 器及功率计等。 目前，在国内主要霍尔元件的型号为t y 系列和s j 系列。t y 系列霍尔元件是 用化合物半导体材料锑化锢制成，s j 系列砷化稼霍尔元件是一种采用v 族半导 体材料砷化嫁( c _ , a a s ) 单晶，用离子注入工艺制作的磁电转换元件，可将磁场强度 信号线性地转换成电压信号输出。 2 2 2 磁阻元件 利用半导体的磁阻效应可以作为磁敏电阻。但作为实用的元件，不仅要求元 件具有明显的磁阻效应，还需要元件具有一定的阻值。圆板型磁敏电阻虽然有较 好的磁阻效应，但其阻值过小很难达到实用化程度，但它却给磁敏电阻实用化的 结构提供了一个很重要的设想，这就是通过设法消除霍尔电势来加强磁阻效应。 目前，实用的半导体磁敏电阻有栅状磁敏电阻和i n s b - n i s b 共晶磁敏电阻。磁阻传 第2 苹磁敏效应与磁敏感兀器件 感器主要用来检测磁场的存在、强弱、方向和变化等。 根据半导体的磁阻比特性，在外加磁场很小的情况下，磁阻效应与( 。b ) 2 成 正比；在外加磁场较大时，磁阻效应趋于与。b 成正比。这表明磁阻效应不仅与 磁感应强度b 有关，而且载流子的迁移率。对它也同样地具有很大的影响。作为 磁敏电阻的材料应选择那些具有较大迁移率的半导体材料。i n s b 具有较大的迁移 率，它是现在实用化用作磁敏电阻的半导体材料。伽这种材料不仅迁移率较大， 而且价格也比较便宜，便于批量生产和使用。i n s b 最大缺点是禁带宽度较窄，温 度特性较差，容易受温度变化的影响。 2 2 2 1 栅格状磁敏电阻 由半导体磁阻效应我们知道，材料的几何磁阻效应在磁敏电阻中具有重要的 意义。几何磁阻效应的大小主要决定于形状系数l w 。u w 减小，磁阻效应就增 强。图2 - 5 中短路电极的作用可以看做是将组成磁敏电阻的半导体薄片分成多个 小的磁敏电阻，而且这些小的磁敏电阻具有很小的形状系数l w ，其磁阻效应较 强。整个磁敏电阻的敏感特性和阻值的大小是这些小磁敏电阻串联之和。当这些 小磁敏电阻足够多时，由它们串联组成的磁敏电阻不仅具有较强的磁阻效应，而 且也具有一定大小的阻值。 ，短路电檄 ， 尹尹产么尹 尹 尹 图2 5 短路电极的设置及其工作 f i g 2 - 5t h e e s t a b l i s h m e n ta n dw o r ko fs h o r te l e c 口o d o 以这种方法构成的磁敏电阻如图2 = 6 所示。由于其短路电极具有栅格状的图 形，所以称为栅格状磁敏电阻。栅格状磁敏电阻解决了磁敏电阻在实用化中的一 些主要问题，是实用磁敏电阻的一种主要构成形式。 图2 - 6 栅格状磁敏电阻 f i g 2 - 6g r i d - l i k em a g n e t i cr e s i s t a n c e 设栅格状磁敏电阻的长为l ，宽为w ，厚为d ，短路电极( 栅格) 的条数为n 。 这样构成的磁敏电阻相当于( n + 1 ) 个长度为l ( n + 1 ) ，宽为w ，厚为d 的小磁敏 电阻的串联组合。理论上的分析表明，只有金属栅格的条数满足 ， ( 刀+ 1 ) 赤( 2 - 2 ) 时，设置金属短路电极后的磁敏电阻才具有较好的灵敏度。即设计栅格状磁敏电 阻时，栅格的条数应满足式( 2 - 2 ) 。 现在，栅格状磁敏电阻主要是采用半导体的平面工艺来制作的。鲫用这种方 法不仅可以方便地得到精细的短路电极图形，而且还具有很好的生产性能，便于 批量生产。 2 2 2 2l n s b - - n i s b 共晶磁敏电阻 i n s b - n i s b 共晶磁敏电阻与栅格状磁敏电阻一样，也是利用短路霍尔电压的方 法来增强器件的磁阻效应。不同的是i n s b - n i s b 共晶磁敏电阻的短路电极是利用 材料中的n i s b 针状晶体来实现的。 图2 - 7i n s b - n i s b 共晶磁敏电阻 f i g 2 - 7i n s b - n i s bm a g n e t i cr e s i s t a n c eo ft h ee u t e c t i c 第2 罩磁敏效应与磁敏愿兀器件 置暑| 置j 置暑暑置i i i i ；i 宣；宣i i i i i i i i i i ；i i ii i i 在i n s b - n i s b 共晶磁敏电阻中，n i s b 针状晶体的直径为1am 左右。汹1 它平行 地排列在i n s b 晶体中( 图2 - 7 ) 。由于n i s b 具有良好的导电性能，i n s b - n i s b ，共 晶磁敏电阻中，n i s b 晶体起到短路霍尔电压的作用。 有人计算过n i s b 针状晶体的短路效果，它相当于形状系数l w = 0 2 时栅格 状磁敏电阻中金属短路电极的作用。 为了提高i n s b - n i s b 共晶磁敏电阻的温度特性，在共晶材料的制备过程中，可 适量掺入碲( t e ) 或硒( s e ) 。掺杂后的材料虽可改善共晶磁敏电阻的温度特性，但 掺杂后，材料的电子迁移率下降，器件的灵敏度也随之下降。 磁敏电阻的主要特性有磁阻比特性和温度特性。磁敏电阻的磁阻比特性表示 了器件的磁阻比随外加磁感应强度变化的特性。在使用时，在适当地选择磁敏电 阻的工作状态，使器件工作在特性的直线范围内，选择既可减小测量过程的非线 性失真，又可得到较好的测量灵敏度。由于磁敏电阻的温度特性较差，温度的变 化会使其特性产生一定的漂移，这是磁敏电阻的一个主要误差来源。 2 2 3 磁敏二极管 磁敏二极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的一种新型磁敏器 件，它具有磁灵敏度高、响应速度快等优点。用它可以判断磁场方向和磁场强度， 因而在磁场测量以及工业自动控制的各种触点开关等方面得到了广泛的应用。目 前实用的磁敏二极管有锗、硅磁敏二极管。 2 2 3 1 锗磁敏二极管 锗磁敏二极管的结构和工作原理如图2 - 8 所示，在高阻半导体( 本征型i ) 材料 的两端，分别制成重掺杂的n + 和p + 区，形成具有长“基区”p + _ i n + 型二极管结构。 i 区称为“基区 ，基区的长度l 大于载流子的扩散长度k ，一般取l = 5 k 。磁敏 二极管长“基区”的一个侧面非常粗( 复合区) 糙，形成高复合区r ，以提高载流子 的表面复合速度：而在相对的另一侧非常光滑，表面复合速度很小。2 卜蚓d 为复合 黑龙江大学硕士学位论文 - - i 置i 宣宣宣i i l l 宣昌ii ；i 宣苦皇 表面与光滑表面之间距离且d 弋 k ，式中k 册。 另外，发射区e 一基区i 一基极b 是p w 型长二极管，也就是说，e _ i _ b 是p + i 型磁敏二极管。可见，这种磁敏三极管是在磁敏二极管的基础上发展起来的，也 称为长基区三极管。正因为这样，这种磁敏三极管的电流放大系数1 3 5 ，式中l o f r o - - - ，d 为载流子双极扩散系数，哳。为载 流子有效寿命。因“基区 长度大于载流子扩散长度，外加正向偏置电压v 的大 部分降在“基区一，使载流子受基区漂移电场的作用发生漂移，即 矿= - t - 巧- t - ( 3 一1 ) 式中v p 。、v ，。分别为p i 结、n i 结偏压，v 埘为降在“基区 的偏压。式中v p 。+ v 。州p 埘， 即p n 结偏压。 在正向偏置下，由p i 结和n i 结向i 区分别注入大量的空穴和电子，在“基区刀 内形成一种满足近电中性条件的一定的非平衡载流子分布。在“基区”和复合表 面上不断地发生复合的同时注入载流子，它们处在一种动态平衡状态。在“基区 和复合表面的复合电流，就是通过二极管的电流洲。由于复合区对体内载流子寿 命的调制作用，“基区 内载流子寿命可由有效寿命f 谚。来表示，即 去= i 14 - 万3 d - t - 等 ( 3 _ 2 ) 一= 一一一 i 1 一zj f 谚o fd 。d 。 式中c 为体内载流子寿命，d 为磁敏二极管的厚度。 如果在平行于复合表面又垂直于电流的方向上施加磁场b ，那么载流子受洛伦 兹力作用，均向一个方向偏转。如果有某一方向的磁场b + ( 如图3 - 1 所示) 作用于 磁敏二极管时，载流子都向复合区r 偏转，使得载流子的复合速率增加，引起载流 子有效寿命减小，也就是说，载流子的扩散长度变短。设它的有效寿命为f 咖+ ， 则f 咖+ 坼，p 办 ( 3 6 ) 式中n t 和p r 分别是热平衡载流子的电子和空穴浓度。 磁敏二极管在外加磁场中也会产生霍尔效应，它必将影响磁敏二极管的磁敏 感效应。半导体的霍尔系数为 耻鼍而p - 面n b 2 ，6 _ , , p i ( 3 - 7 ) 由式( 3 - 6 ) 可得上式为 嚣。丽1 - b 2 ( 3 - 8 ) 一般地，锗的b 2 ，硅的b 3 ，所以上式为 r 二至。- 3 n ( 3 9 ) 8 q n1 6 q n 由此可见，在大注入下，载流子浓度很大，一般霍尔系数很小，所以霍尔效 应对长二极管“基区 的载流子偏转的影响十分小，可以忽略其影响。 锗磁敏二极管的正向电流密度j o 与“基区”偏压v 。平方成正比，而与“基区 长度，的立方成反比，即 山= 詈掣以a n r 哳砰 ( 3 1 0 ) 式中n t = n t ( 对于v 型“基区 ) 或n f 伽一n t ( 对于兀型“基区 ) 。上式称为 兰莫特( l a m p c r t ) 公式。实验表明这公式与双注入锗长二极管伏安曲线相符合 黑龙江大学硕士学位论文 由式( 3 - 1 0 ) 可以看到，在b = 0 时，正向电流密度j o 还与材料的电阻率和载流 子有效寿命有关。如果“基区”材料是理想的本征半导体，则厶n f o ，这时磁敏二 极管的伏安曲线不服从兰莫特公式给的v ，2 的规律。实际上不能制成完全理想的本 征半导体，只能制出近本征半导体。若为v 型半导体，则总有n t ) ) p r ，近似考虑 n t n t ，反之亦然。 b 4 = o 时，双注入长二极管伏安曲线的解析关系是一个复杂的积分方程式，只 有在弱磁场和强磁场下才有比较简单的解析关系式。 在弱磁场中，即h d i k 的条件下，磁敏二极管的厚度d 和长度，越 第3 苹磁敏二极管 短，正向电流的磁敏感效应就越显著。 从式( 3 - 1 2 ) 可以看出，当“基区”厚度d 大于载流子扩散长度时，磁敏二极 管的伏安曲线不受复合区的调制作用，其磁敏感效应很低。 在强磁场中，即在d f l 和z d i 1 的情况下，且d l d 时，长二极管伏 安曲线的渐近关系为 以= c o ( 告一争 ( 3 - 1 5 ) 式中 c o = 3 q , u 一p a n r f 巧o & a t 2 ( 3 1 6 ) 式( 3 - 1 6 ) 表明，在强磁场下，伏安曲线逐渐趋于线性欧姆特性，而且它的斜 率与b 成反比。图2 - 2 所示的伏安曲线在b + = o 2 t 时已具有线性特性。 磁敏二极管有一个确定的磁敏感方向、极性和磁敏感面。磁敏感方向是平行 于高复合区的设置平面、又垂直于“基区力载流子漂移的方向。如果外加磁场方 向偏离磁敏感方向，设其偏离角为口，那么实际作用于磁敏二极管的磁感应强度是 其在磁敏感方向上的投影量，即b c o s o 。磁敏感面就是与磁敏感方向相垂直的平 面，其大小为z d 。因此，作用于磁敏二极管的磁感应强度实际上是作用于磁敏感 面上的平均磁感应强度。磁灵敏度是度量磁敏感效应的物理量。磁敏二极管如同 霍尔元件一样有正负磁敏感效应，也就是有正向和负向磁灵敏度。在正向磁场中 发生正磁敏感效应，在负向磁场中发生负磁敏感效应。磁敏二极管只有在正向偏 置下有磁敏感效应，在反向偏置下一般没有磁敏感效应。 3 2 磁敏二极管的设计原则与制备工艺 3 2 1 磁敏二极管的设计原则 如3 1 节所述，i 区实际上是高阻n 型或p 型半导体材料。双注入结要求两 黑龙江大学硕士学位论文 个结都应具有注入和整流效应。如果i 区掺杂浓度比简并化p + 区盯区掺杂浓度低 6 7 个数量级，则基