一、霍耳磁敏传感器

二、磁敏二极管和磁敏三极管

三、磁敏电阻

第六章半导体磁敏传感器

一、霍耳磁敏传感器 （一）霍耳效应

通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。

+

I

+ + + + +

++

+ +

++

－－－－－－

Ｂ

l

w

d

霍耳效应原理图

VH

（二）霍耳磁敏传感器工作原理 设霍耳片的长度为 l ，宽度为 w ，厚度为 d 。

又设电子以均匀的速度 v 运动，则在垂直方向施加的磁感应强度 B 的作用下，它受到洛仑兹力

q— 电子电量 (1.62×10-19C) ； v— 电于运动速度。同时，作用于电子的电场力

qvBf L

wqVqEf HHE /

wqVqvB H /当达到动态平衡时

dnqvwdjwI dnqwIv /

pqdIBVH /

霍耳电势 VH 与 I 、 B 的乘积成正比，而与 d 成反比。于是可改写成：

d

IBRV HH

HR

电流密度j=nqv

n—N 型半导体中的电子浓

度N 型半导

体P 型半导

体

— 霍耳系数，由载流材料物理性质决定。 ρ— 材料电阻率

p—P 型半导体中的孔穴浓

度

型）（

型）（

Pqp

R

Nqn

R

H

H

1

1

μ— 载流子迁移率 ,μ=v/E, 即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子 μ 很高但 ρ 很小，绝缘材料， ρ 很高但 μ 很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。

设 KH=RH / d

KH— 霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度 B 的方向与霍耳器件的平面法线夹角为 θ 时，霍耳电势应为：

VH ＝ KH I

B

VH ＝ KH I B cosθ

注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。

霍耳器件片(a) 实际结构 (mm) ； (b) 简化结构； (c) 等效电路

外形尺寸 :6.4×3.1×0.2; 有效尺寸： 5.4×2.7×0.2

（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）

d

s

l

（ b ）

2.1

5.42.

7A B

0.2 0.50.3

C

D

（ a ）

w

电流极霍耳电极

R4

A B

C

DR1 R2

R3R4

（ c ）

霍耳输出端的端子 C 、 D 相应地称为霍耳端或输出端。

若霍耳端子间连接负载 , 称为霍耳负载电阻或霍耳负载。

电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。

霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。

器件电流 ( 控制电流或输入电流 ): 流入到器件内的电流。

电流端子 A 、 B 相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。

H

图 2.6-4 霍耳器件符号

A A AB B B

C C C

D D D

关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。

控制电流 I ；霍耳电势 VH ；控制电压 V ；输出电阻 R2 ；输入电阻 R1 ；霍耳负载电阻 R3 ；霍耳电流 IH 。 图中控制电流 I 由电源 E 供给 ,R 为调节电阻 , 保证器件

内所需控制电流 I 。霍耳输出端接负载 R3,R3 可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场 B 垂直通过霍耳器件 , 在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。

VHR3

VBI

E

IH

霍耳器件的基本电路

R

实际使用时 , 器件输入信号可以是 I 或 B ，或者 IB, 而输出可以正比于 I 或 B, 或者正比于其乘积 IB 。

IKBId

RV I

HH

VKVR

KBV

dR

RV V

HH 1

1

1

1

上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。

同样，若给出控制电压 V ，由于 V=R1I ，可得控制电压和霍耳电势的关系式

设霍耳片厚度 d 均匀，电流 I 和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流 I 和霍耳电势 VH 的关系式

（四）、基本特性 1 、直线性：指霍耳器件的输出电势 VH 分别和基本参数 I 、 V 、 B 之间呈线性关系。

VH=KHBI

2 、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：

KH—— 乘积灵敏度，表示霍耳电势 VH 与磁感应强度B 和控制电流 I 乘积之间的比值，通常以 mV/(mA·0.1T) 。因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定 ,故称为乘积灵敏度。

KB—— 磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。

KI—— 电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。

若控制电流值固定，则：VH ＝ KBB

若磁场值固定，则：

VH ＝ KI I

3 、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4 、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻 R2

等于霍耳负载电阻 R3 时，霍耳输出功率为最大。

22

max 4/ RVP HO 5、最大效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：

12

22

maxmax

4/

RI

RV

P

P H

in

O

6 、负载特性 当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。

80

60

40

20

00.2 0.4 0.6 0.8 1.0

VH/m

Vλ=∞

λ=7.0

λ=1.5

λ=3.0

B/T

理论值

实际值

VHR3I

霍耳电势的负载特性

λ=R3/R2

霍耳电势随负载电阻值而改变的情况

7 、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。

霍耳材料的温度特征（ a ） RH 与温度的关系；（ b ） ρ与温度的关

系

RH/cm2/ A℃﹒ -1

25020015010050

40 80 120 160 200

LnSb

LnAs

T/℃0

2

4

6

ρ/7×10-3Ω·cm

LnAs

20015010050

LnSb

T/℃0

双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。

8 、频率特性磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频率特性很好，到 10kHz 时交流输出还与直流情况相同。因此 , 霍耳器件可用于微波范围 , 其输出不受频率影响。 磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数 (特别是气隙宽度 ) 等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。 总之，在交变磁场下，当频率为数十 kHz 时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数 MHz 时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。

霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。

（五） 霍耳开关集成传感器

由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。

1 ．霍耳开关集成传感器的结构及工作原理

霍耳开关集成传感器内部结构框图2

3输出

+

－

稳压

VCC1

霍耳元件 放大

BT

整形

地

H

3020T输出Vout

R=2kΩ

+12V

1

23

（ b ）应用电路 （ a ）外型

霍耳开关集成传感器的外型及应用电路

1 2 3

2 ．霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞 BH ，这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的 BOP

为工作点“开”的磁感应强度， BRP 为释放点“关”的磁感应强度。

霍耳开关集成传感器的工作特性曲线

VOUT/V

12ON

OFF

BRPBOP

BH B

霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。

0

该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于 BOP 时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于 BRP 时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。

3 ．霍耳开关集成传感器的应用

（ 1）霍耳开关集成传感器的接口电路

RL

VACVccVcc

VAC

VccVAC

K

Vcc

K

VccVAC

Vcc

MOSVOUT

VAC

霍耳开关集成传感器的一般接口电路

VAC

RL

①磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，

霍耳开关集成传感器的 L1-B 关系曲线

NS

AlNiCo 磁铁 Ф6.4×32

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

02.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

距离 L1/mm

B/T

L1

随磁铁与传感器的间隔距离的增加 , 作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时 ,传感器开关接通 , 而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时 , 如果磁铁已选定 , 则应按具体的应用场合 ,对作用距离作合适的选择。

（ 2）给传感器施加磁场的方式

② 磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动的方式在传感器前方通过。

霍耳开关集成传感器的 L2-B关系曲线

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

B/T

NS

空 隙 2.05

AlNiCo 磁铁Ф6.4×32

L2

距离 L2/mm

③采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。

S

N

磁力集中器传感器

磁铁

磁力集中器安装示意图

S

N

磁力集中器

传感器

磁铁

铁底盘

在磁铁上安装铁底盘示意图

S

N

磁铁

磁力集中器

传感器

带有磁力集中器的移动激励方式示意图

磁 感 应 强 度 B/T

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0 2.5 5 7.5 10磁铁与中心线的距离 L2/mm

B-L2 曲线的对比图

(a) 加磁力集中器的移动激励方式 ④激励磁场应用实例

(b)推拉式 两个磁铁的 S 极都面对传感器，这样可以得到如图所示的较为线性的特性。

N S S N

传感器图 2.6-20 推拉式激励磁场示意图

图 2.6-21 推拉式 L1-B 关系曲线距离 L1/mm

B/T

0.05

-0.05

0

-10 -5 0 5 10 15-15

注意：磁铁S极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁S极的激励作用。

(c)双磁铁滑近式 为激励传感器开关的接通，往往把磁铁的 S 极对着传感器正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，使它的 N 极对着传感器的背面，就会获得大得多的磁场。

传感器滑近

S

N

N

S

图 2.6-22 双磁铁滑近式结构示意图

(d)翼片遮挡式 翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器之间，使磁力线被分流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。当磁铁和传感器之间无遮挡时，传感器被磁铁激励而导通；当翼片转动到磁铁和传感器之间时，传感器被关断。

图 2.6-23 翼片遮挡器的形状片状 筒状

霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等

(e) 偏磁式 在传感器背面放置固定的磁铁加入偏磁，就可以改变传感器的工作点或释放点。例如。将磁铁的 N 极粘附在传感器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须在它的正面施加更强的负磁场，才能使它关断。

4. 霍耳开关集成传感器的应用领域

1．霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时 , 霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压 ,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。

（六）霍耳线性集成传感器

单端输出传感器的电路结构框图2

3输出+

－

稳压

VCC1

霍耳元件 放大

地

H

稳压

H

3VCC

地4

输出

输出

1

86 7 5

双端输出传感器的电路结构框图

单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是 SL3501T 。

双端输出的传感器是一个 8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是 SL3501M 。

2 ．霍耳线性集成传感器的主要技术特性 (1)

传感器的输出特性如下图：

磁感应强度 B/T

5.6

4.6

3.6

2.6

1.6

-0.3 -0.2 -0.1

0 0.1 0.2 0.3

输 出 电 压 U/

V

SL3501T传感器的输出特性曲线

2 ．霍耳线性集成传感器的主要技术特性 (2)

传感器的输出特性如下图： 2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24

输 出 电 压 U/

V

磁感应强度 B/T

SL3501M传感器的输出特性曲线

00.28 0.32

R=0R=15Ω

R=100 Ω

（七）霍耳磁敏传感器的应用

利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。

利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。

利用霍耳传感器制作的仪器优点：

(1) 体积小，结构简单、坚固耐用。

(2) 无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。

(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。

(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。

(5) 霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。 霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。

测量磁场的大小和方向

电位差计

mA

E

S

N

R

图 2.6-24 霍耳磁敏传感器测磁原理示意图

磁方向图

西90o

东

0o

北

南180o

φ

270o

磁通集束器图中 Li 为集束器的总长度， La 为集束器中部的空隙距离，霍耳器件磁通密度 Ba 比外部磁通密度 B0约增强 Li/La倍。

图为均匀磁场中使用集束器 ( 实线 ) 和不使用磁集束器 ( 用虚线表示 ) 时的磁方向图

ER

VH

B0

La

Ba

Li

磁通集束器原理图

21材料 温度(K)

RH

InSb 78 46 0.05 27 110

InAs 78 7.5 0.009 650 6.8

Si 78 1 50.0 50 70

410

410

410

310

310 310

310

310

表 2.6-2 几种导体材料在低温下的性能

二、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。

（一）磁敏二极管的工作原理和主要特性 1 ．磁敏二极管的结构与工作原理

（ 1）磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管 PN 结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的 PN 结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用 ρ=40Ω·cm左右的 P型或 N 型单晶做基区 (锗本征半导体的 ρ=50Ω·cm) ，在它的两端有 P 型和 N 型锗，并引出，若 γ代表长基区，则其 PN 结实际上是由 Pγ 结和 Nγ 结共同组成。以 2ACM—1A 为例，磁敏二级管的结构是 P+—i—N+ 型。

+

（ b）

磁敏二极管的结构和电路符号(a) 结构 ; (b) 电路符号

H+

H-

N+区

p+区

i区r区

电流

（ a）

在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的 P 型和 N 型两个区域，并在本征区（ i）区的一个侧面上，设置高复合区 (r 区 ) ，而与 r 区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。

P N

P N

P N

H=0

H+

H-

→→→

←←← 电流

电流

电流

（ a）

（ b）

（ c）

磁敏二极管的工作原理示意图

流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。 为什么磁敏二极管会有这种特性呢 ? 下面作一下分析。

（ 2）磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的 P区接电源正极， N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，

i

i

i

电子空穴

复合区

结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若 r区和 r

区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。

磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。

2 ．磁敏二极管的主要特征（ 1）伏安特性 在给定磁场情况下，磁敏二极管两端

正向偏压和通过它的电流的关系曲线。

-0.2

2

1 3 5 7 9 U/V

I/m

A

0

0.2T0.15T0.1T

0.05T-0.05T

（ a）

5

3

1

I/m

A

4 6 8 10 U/V

-0.3 -0.2 -0.1 0

0.1 0.2

0.30.4

（ b）

5

3

1

I/m

A

4 8 12 16 U/V

-0.1 00.1

0.40.3

0.2

-0.3

（ c）图 2.6-29 磁敏二极管伏安特性曲线

（ a）锗磁敏二极管（ b）、（ c）硅二极管

-0.1T-0.15T-0.2T

0

0 0

由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式。一种如图 2.6-29（ b）所示，开始在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种如图 2.6-29(c) 所示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻现象，即电流急增的同时，有偏压突然跌落的现象。

产生负阻现象的原因是高阻硅的热平衡载流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开始急增之故。

（ 2）磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。

图 2.6-30 磁敏二极管的磁电特性曲线（ a）单个使用时（ b）互补使用时

B / 0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.0

0.40.81.21.62.0

-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0

B / 0.1T

2.0-1.0-2.0

0.4

0.81.21.62.0

-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0

1.0

 3kΩR

EE=12V（ 18V）

Td=20℃

（a）

（ b）

ΔU

/V

ΔU

/V

图 2.6-30 给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。

（ 3）温度特性 温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量 （或无磁场作用时中点电压 ）随温度变化的规律，如图所示。

muuΔ

U/V

T/℃0 20 40

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0E=6VB = 0.1T

8060-20I/

mA

-5

-4

-3

-2

-1I

图 2.6-31 磁敏二极管温度特性曲线( 单个使用时 )

ΔU

由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大。反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下， u0 的温度系数小于＋ 20mV／℃， 的温度系数小于 0.6%/℃。而锗磁敏二极管 u0 的温度系数小于 -60mV／℃， 的温度系数小于 1.5%/℃。所以，规定硅管的使用温度为 -40～＋ 85℃，而锗管则现定为 -40～＋ 65℃。

u

u

（ 4）频率特性 硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于 1 ，即响应频率高达 1MHz 。锗磁敏二极管的响应频率小于 10kHz 。

s

dB

0.1

-12-9-6-3

0

1010.01

图 2.6-32 锗磁敏三极管频率特性f/kHz

%1000

0

u

uuh B

u

%1000

0

I

IIh B

i

(2.6-26)

(2.6-27)

5 ）磁灵敏度

磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：

（ a） 在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度（ hu），即：

uo— 磁场强度为零时，二极管两端的电压； uB

— 磁场强度为 B 时，二极管两端的电压。

(b) 在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度（ hi），即：

(c)    在给定电压源 E 和负载电阻 R 的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：

应特别注意，如果使用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。

%1000

0

u

uuh B

Ru

%1000

0

I

IIh B

RI

（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性 1 ．磁敏三极管的结构与原理 （ 1）磁敏三极管的结构 NPN 型磁敏三极管是在弱 P 型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结——即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元

图 2.6-33 NPN 型磁敏三极管的结构和符号a) 结构 b) 符号

r

N+

N+

c

e

H- H+

P+

b

c

e

b

a） b）

件 , 如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区 r 。长基区分为输运基区和复合基区两部。

i

（ 2 ）磁敏三极管的工作原理

N+ N+

N+

cc

c

y y

yee

e

r r

r x

xx

P+ P+

P+

b b

b

N+N+

N+

（ a）

（ b）

（ c）图 2.6-34 磁敏三极管工作原理示意图

(a)H=0; (b)H=H+;(c)H=H-

1- 运输基区； 2-复合基区

1

2

当不受磁场作用如图 2.6-34(a) 时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极 c 外，大部分通过 e—i—b 而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数 =I

c／ Ib＜ 1 。 当受到 H ＋磁场作用如图 2.6-34（ b）时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。 当受 磁场使用如图 2.6-34(c) 时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。

H

/b=5mA

Ib=4mA

Ib=3mA

Ib=2mA

Ib=1mA

Ib=0mA

IC

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

02 4 6 8 10 VCE/V

/mA

VCE/V

Ib=3mA B-=－ 0.1T

Ib=3mA B=0

Ib=3mA B+=0.1T

2 4 6 8 10

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

IC /mA

图 2.6-35 磁敏三极管伏安特性曲线

2 ．磁敏三极管的主要特性 （ 1）伏安特性 图 2.6-35(b) 给出了磁敏三极管在基极恒流条件下（ Ib=3mA）、磁场为 0.1T 时的集电极电流的变化；图 2.6-35(a) 则为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。

（ 2）磁电特性 磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。 3BCM（ NPN 型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图 2.6-36 所示。

B/0.1T

ΔIc/mA

0.50.40.30.20.1

1 52 3 4-1-2-3

图 2.6-36 3BCM 磁敏三极管电磁特性

由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。

(3)温度特性 磁敏三极管对温度也是敏感的。 3ACM 、 3BCM 磁敏三极管的温度系数为 0.8％／℃； 3CCM 磁敏三极管的温度系数为 -0 .6％／℃。 3BCM 的温度特性曲线如图 2 .6-37 所示。

图 2.6-37 3BCM 磁敏三极管的温度特性(a) 基极电源恒压 (b) 基极恒流

(a)-20 0 20 40

1.2

0.8

0.4 

1.6

60

B=0

B=－ 0.1T B=0.1T

T/℃

基极电源恒压Vb=5.7V

I C/m

A

基极恒流Ib=2mA

B=0

1.2

0.8

0.4

-20 0 20 40

1.6

80

B=－ 0.1T

B=0.1T T/℃

(b)I C

/mA

温度系数有两种：一种是静态集电极电流 Ic0

的温度系数；一种是磁灵敏度 的温度系数。 在使用温度 t1～ t2范围 Ic0 的改变量与常温（比如 25℃）时的 Ic0 之比，平均每度的相对变化量被定义为 Ic0 的温度系数 Ic0CT ，即：

同样，在使用温度 t1～ t2范围内， 的改变量与 25℃时的 值之比，平均每度的相对变化量被定义为 的温度系数 ：

h

hh

h

(2.6-30)

%10025

)(

120

10200

ttCI

tItII

c

ccCTc

%100

)25( 12

12

ttCh

ththh CT

CTh

对于 3BCM 磁敏三极管，当采用补偿措施时，其正向灵敏度受温度影响不大。而负向灵敏度受温度影响比较大，主要表现为有相当大一部分器件存在着一个无灵敏度的温度点，这个点的位置由所加基流（无磁场作用时） Ib0 的大小决定。当 Ib0>4mA 时，此无灵敏度温度点处于 +40℃左右。 当温度超过此点时，负向灵敏度也变为正向灵敏度，即不论对正、负向磁场，集电极电流都发生同样性质变化。 因此，减小基极电流，无灵敏度的温度点将向较高温度方向移动。当 Ib0=2mA 时，此温度点可达 50℃左右。但另一方面，若 Ib0 过小，则会影响磁灵敏度。所以，当需要同时使用正负灵敏度时，温度要选在无灵敏度温度点以下。

（ 5）磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度 和负向灵敏度 两种。其定义如下：

式中 —受正向磁场 B+ 作用时的集电极电流； — 受反向磁场 B- 作用时的集电极电流； —不受磁场作用时，在给定基流情况下

的集电极输出电流。

h h

TI

IIh

c

ccB 1.0/%1000

0

cBI

cBI

0cI

（ 4）频率特性 3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为 10kHz 。

(2.6-32)

（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用 由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。 利用磁敏管可以作成磁场探测仪器—如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量 10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。 此外 ,利用磁敏管还可制成转速传感器 (能测高达每分钟数万转的转速 ), 无触点电位器和漏磁探伤仪等。

（四）、常用磁敏管的型号和参数 3BCM 型锗磁敏三极管参数表

%1000

0

c

cBc

I

IIh

参 数 单

位测试条件

规范

A B C D E

磁灵敏度%

Ec=6V,

RL=100Ω,

Ib=2mA,

B= 0.1T

5~10 10~15 15~20 20~25 >25

击穿电压 BUcco V Ic=1.5mA 20 20 25 25 25

漏电流 Icc0 Vcs=6A ≤200 ≤200 ≤200 ≤200 ≤200

最大基极电流 mAEc=6V

RL=5kΩ 4

功耗 PcmmW   45

使用温度 ℃   -40~65℃

最高温度 ℃   75

mA

3CCM 型硅磁敏三极管参数表

A

%1000

0

c

cBc

I

IIh

参数 单 位 测试条件 规范

磁灵敏度%

Ec=6V

Ib=3mA

B= 0.1T

>5%

击穿电压 BUcco V Ic=10 ≥20V

漏电流 Icc0 Ice=6A ≤5

功耗 mW 

20mW

使用温度 ℃ 

-40~85℃

最高温度 ℃ 

100℃

温度系数 %/℃ 

-0.10~-0.25%/℃

A

三、磁敏电阻 是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称 MR 元件。它的理论基础为磁阻效应。

（一） 磁阻效应

若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。

在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子 ( 电子和空穴 )的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化 , 它可表示为：

22

00

0 273.0 B

Ｂ——为磁感应强度；

ρ—— 材料在磁感应强度为Ｂ时的电阻率；

ρ0 —— 材料在磁感应强度为 0 时的电阻率；

μ—— 载流子的迁移率。

当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如 InSb）中，则磁阻效应很强。

磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。

长方形磁阻器件只有在 L( 长度 )<W（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把 L<W 的扁平器件串联起来，就会零磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。

图 2.6-38（ a）是没有栅格的情况，电流只在电极附近偏转，电阻增加很小。在 L>W 长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件如图 2.6-38（ b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁

L

W

B B

图 2.6-38 几何磁阻效应

II

（ a （ b

阻器件的灵敏度。

常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。

1 灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场——电阻特性的斜率。常用 K 表示，单位为mV/mA.kG 即 Ω.Kg 。在运算时常用 RB/R0

求得， R0 表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值， RB 为在施加 0.3T 磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于 2.7 。

（二） 磁阻元件的主要特性

2 磁场—电阻特性

磁阻元件磁场—电阻特性

N级0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3

R/Ω

1000

500

S级(a) S 、 N 级之间电阻特性

B/T

15RB

R010

5

温度 (25 )℃

弱磁场下呈平方特性变化

强场下呈直线特性变化

0

(b) 电阻变化率特性

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

B/T

磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加

在 0.1T 以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过 0.1T后呈现线性

变化

图 2.6-40 强磁磁阻元件电阻 - 磁场特性曲线

输 出 电 压 V

磁饱和点B=Bs

0

(b) 磁场—输出特性

H

图 2.6-40显示的是强磁磁阻元件的磁场——电阻特性曲线。

从图中可以看出它与图 2.6-39（ a）曲线相反，即随着磁场的增加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。一般电阻变化为百分之几。

3 电阻——温度特性 图 2.6-41 是一般半导体磁阻元件的电阻——温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件

1038

4

2102

4

210

6

-40 0 20 60 100

温度 /℃

电 阻 变 化 率 %

图 2.6-41 半导体元件电阻 -温度特性曲线

的温度特性不好。图中的电阻值在 35℃的变化范围内减小了 1/2 。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。

图 2.6-42 是强磁磁阻元件的电阻——温度特性曲线，图中给出了采用恒流、恒压供电方式时的温度特性。

130

100

50

电 阻 变 化 率 %

-30

BX10-4/T

电阻+3500ppm/℃

0

输出 ( 恒流工作 ) -500ppm/℃

输出 (恒压工作) -300ppm/℃

图 2.6-42 强磁阻元件电阻 - 磁场特性曲线

可以看出，采用恒压供电时，可以获得– 500ppm/℃的良好温度特性，而采用恒流供电时却高达 3500 ppm/℃。但是由于强磁磁阻元件为开关方式工作，因此常用恒压方式。

60

（三）磁敏电阻的应用

磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度 / 角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、 UPS 、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。