半導體磁敏元件

基於霍耳效應的半導體磁電轉換傳感器。在磁場測量以及利用磁場作為媒介對位移、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量中，半導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。這類器件的優點是結構簡單，體積小，易於集成化，耐衝擊，頻響寬（從直流到微波），動態範圍大，而且可以實現無接觸檢測，不存在磨損，抗污染，不產生火花，使用安全，壽命長，因此它在測量技術、自動控制和信息處理等方面有廣泛的應用。

霍耳元件 　在半導體霍耳片（圖1）的長度方向通入控制電流I,在平面法線方向外加磁場B，於是電子在磁場中受洛倫茲力,而向寬度方向偏移，因此在霍耳片兩側分別積累正負電荷並沿寬度方向產生霍耳電場。這一電場對電子產生的力阻止電子偏移。當電場力fE與洛倫茲力fL相平衡時,霍耳輸出端電荷積累達到平衡,這就是霍耳效應。當磁感應強度B方向與霍耳片平面法線夾角為θ時,霍耳電壓V=KIBcosθ,其中K 為霍耳元件靈敏度。當載流子為空穴時，它與電子運動方向相反，而洛倫茲力方向相同，所以產生的霍耳電壓極性相反。霍耳元件主要用於磁場、轉速、微小位移、加速度等的測量，是放音磁頭、磁接近開關、同步傳動裝置、無刷直流電機、函數發生器、運算器、功率計、調製器、解調器、頻譜分析、迴轉器、隔離器中的重要器件。 半導體磁敏元件

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製成的磁敏器件，分為霍耳開關集成電路和霍耳線性集成電路。霍耳開關集成電路由霍耳元件、差分放大器、施密特觸發器和輸出級四個環節組成。它可靠性高,工作頻帶寬（從直流到100千赫左右），温度性能好，易實現數字化，結構簡單，體積小，耐衝擊。它可作為無觸點開關，如鍵盤開關，接近開關，行程開關，限位開關等，可檢測帶有磁鋼或導磁體的物體直線運動時的位置和速度，因而能檢測產品數量、液麪、旋轉體的角位移、角速度、風速、流速，也可用於磁頭編碼。

磁阻元件 　利用半導體物理磁阻和幾何磁阻效應制成的半導體磁敏元件。作為磁阻元件要求霍耳電勢小而霍耳角大。常在扁長條霍耳片上蒸鍍或濺射一層金屬膜，利用光刻技術留下相距很近的環狀柵格金屬膜，相當於許多串聯的扁形磁阻元件，能獲得高的磁阻靈敏度。零磁場下電阻一般為幾百歐，而磁感應強度為 1特斯拉時，其電阻比零磁場電阻增大12倍左右。弱磁場下，磁阻按(μB)2關係增加。在強磁場(μB>1)下磁阻隨磁感應強度按線性規律變化。為獲得較好的線性特性,應選擇遷移率比較高的半導體材料（如 n型銻化銦）。磁阻元件中的載流子在電場中漂移很短，頻率響應極佳。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。主要用於位移和角度的檢測和無觸點電位器等。

磁敏二極管 　1967～1968年，日本先後研製成硅、鍺磁敏二極管。這類新型器件的轉換靈敏度比霍耳元件高數百甚至數千倍。磁敏二極管是P+-i-n+型長二極管（i表示近本徵型半導體）。其原理是在外加電壓的作用下，由P+、n+區向i區注入載流子（空穴與電子），此時它們若受到垂直於載流子運動方向的磁場H +的作用便向複合區偏轉。載流子在複合區的複合概率高於i區,因而壽命縮短,減小有效擴展長度,使i區壓降增加，P+-i結和i-n+結的結偏壓下降,通過i區的電流減小。在相反磁場H -的作用下，上述過程則相反。因此可用以測量磁場。磁敏二極管適用於測量弱磁場（如用於地磁測量儀），可製成藉助磁場觸發的無觸點開關。例如利用導線周圍的磁場製成無接觸電流表，利用磁場變化製成調製器、自動增益控制電路和無觸點電位器，以及同其他器件組合製成直流無刷電機等。它在自動化儀表中的應用潛力很大。

磁敏三極管 　磁敏三極管是在磁敏二極管的基礎上研製出來的。它的一端為集電極c和發射極e(n+區)、另一端P+區為基極b（圖3）。磁場的作用使集電極的電流增加或減少。它的電流放大倍數雖然小於 1，但基極電流和電流放大係數均具有磁靈敏度，因此可以獲得遠高於磁敏二極管的靈敏度。磁敏三極管是尚處於研製階段的新型器件,凡是應用霍耳元件,磁阻元件和磁敏二極管的地方均可用磁敏三極管來代替。磁敏三極管尤其適用於某些需要高靈敏度的場合，如微型引信、地震探測等方面。

吳訓一主編：《自動檢測技術》,機械工業出版社,北京，1981。