1、磁敏二极管综述引言磁敏二极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后发展起来的一种新型磁电转换元件。它具有体积小、磁灵敏度高的优点, 可以广泛应用于磁场检测、自动磁力探伤、工业自动化和电子技术等领域。前使用的半导体磁电转换元件有霍尔元件和磁敏电阻。霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的, 这种元件的特点是, 它的输出霍尔电压与磁场方向有关, 并和磁场强度成正比, 但是输出电压很低(约1.5 m V / m A. kG ) , 需要附加一个稳定的放大电路才能使用, 磁敏电阻是利用二次霍尔效应制得, 但是它在弱磁场下, 输出与磁场强度的平方成正比, 使输出剧烈下降, 而且与磁场的正负方向无关。磁敏二极管与霍尔元件等相
2、比体积小, 磁灵敏度高( 1000 m V / m A.kG ) , 电路简单,具有一系列的优点。1 原理与结构磁敏二极管是采用本征导电高纯度锗( G e ) 制成的, 其物理性能是基于注入载流子表面再复合的差, 这种管子的结构是p + in+ 型二极管。在高纯锗的两端用合金法做成p 型和n 型区域, i 区是本征高纯锗, i 区长l 要取L (载流子的扩散长度) 的数倍, 在一侧面制成(扩散杂质或喷砂) 高复合区域, 一般叫r 区(即复合速度大的区域) , 见图1。对这个元件加上正向电压( p 端接正极,n 端接负极) , 在外加电压作用下p 端和n 端接合处的载流子双重注入, 这两种载流子
3、是从p 区注入i 区的空穴和n 区注入i区的电子所组成在没有磁场的情况下(图2 中 ) , 大部分空穴和电子0H分别流入n 区和p 区而产生电流, 仅有很小部分电子和空穴在i 区复合掉。如果加上一个正磁场( 图2 中 ) , 电子和空穴均偏向 r 区, 在r 区电子和空穴H的复合速度加快, 电子和空穴在r 区很快就复合掉。因此, 在磁场为 时, 载流子的复合率比没有磁场时要大得多, 这时i 区的载流子密度便减小，i区的电阻增加，也就是说载流子的平均寿命减小，电流也随之减小。从管子的两端来看，电阻增加了。i区的电阻增加，外部电阻分配在i区的电阻就增加，加在结和ipin结的电眼减小，进而使载流子的
4、注入效率减小，控制在炉子的注入量，逐渐使i区的电阻进一步增加，一直达到某种稳定状态。所以在磁场为 时，磁敏二极H管伴随着正反馈作用的效果，从而提高它的灵敏度。当加以反向磁场时（图2中），是的电子和空穴r区的对面偏转，复合减小，同时载流子继续注入i区，H该去的载流子密度增加，电阻减小，电流增加，载流子的平均寿命增加，结果是i区的电压降减小，加在 结和 结的电压相应地增加，这将进一步促使载ipin流子想i区注入，而一直使管子的电阻减小到某一稳定状态为止。从上述可以清楚地看出，i区和其外部分的复合率之差越大，它的灵敏度提高。有很大复合速度的r区是磁敏二极管的最大特点。由此可知：随磁场方向的变化产生正
5、负变化特别是在较弱的磁场下可获得较大的输出电压，这是同霍尔元件和磁敏电阻所不同的。对应于预先规定的方向的磁场，可以得到与磁场大小成比例的电压变化。对于反向电压，由于PN结的整流作用，仅能流过很微小的电流，几乎与磁场无关。图1 敏感二极管的结构图2 敏感二极管的工作原理2 敏感二极管的特性敏感二极管是一种特殊的磁电转换元件，目前我们生产的磁敏二极管管芯尺寸4毫米，宽0.6毫米，厚0.4毫米。i区载流子扩散距离越长，元件的长度就越长。敏感二极管加以正向偏压是，随磁场变化的福安特性曲线示于图3.中间的曲线表示二极管不加磁场（H=0）时的情况， 和 表示二极管在加正磁场和H负磁场时电压和电流的关系。（
6、1）当所加偏压一定时，曲线 表示二极管电阻增加，电流减小；曲线表示电阻减小，电流增加。H（2）同一磁场下，电流越大，输出电压变化量越大。从图3可以看出，磁敏二极管是利用磁场变化而引起元件电阻变化的二端元件。磁敏二极管磁场输出电压特性曲线示于图4，电路接线按图4，a链接。随磁场变强曲线趋向饱和，在弱磁场（100G以下）输出电压同磁场强度成正比，磁场为零时的端电压为 ，在正磁场（ ）时，电压的增量为 ，在负磁0VHV场（ ）时，电压的减小量为 。H图3 磁场二极管电压电流特性 图4 磁敏二极管输出电压特性图5为磁敏二极管的温度特性曲线。从图5中可以看出次元件受温度的影响较大，当温度升高时，锗中热激
7、发的载流子浓度迅速增多，甚至超过注入载流子浓度，因此电流增加， 减小，磁灵敏度下降。在使用中尽量减小温度的变化，0V也可以牺牲若干灵敏度，而使温度特性改善，或者用热敏电阻等进行适当的温度补偿。为此可把两个温度系数相同的元件按磁极相反的放向串联起来（见图6，a），就能起温度补偿的作用，这种接法通常称为差动接法。在没有磁场时，两元件中点电压 不随温度而改变，保持一个定值 = 。这种接法的温度mVmVF21特性曲线如图6所示，在室温下磁灵敏度随温度的变化很小。另外，这种接法的磁场输出电压特性对磁场具有对称性成比例的范围也较大（200G以下），见图7。图5 磁敏二极管特性曲线 图6 差动接法的温度特性
8、曲线图7 差动接法的磁场输出电压特性曲线3 磁敏二极管的应用1.测量磁场由于磁敏二极管的磁灵敏度高达100。mV/mAkG，而且磁感应强度在IkG以下输出特性为线性，所以特别适用于IkG以下的弱磁场的测量，并且能测出磁场的大小和方向。所制成线路简单、成本低的小量程高斯计，漏磁测量仪，磁力探伤仪，特别是能做成自动磁力探伤仪，使导磁材料的探伤实现自动化。如果用高导磁材料(坡莫合金、铁氧体等)做成特殊的集束装置可检出10“”G的弱磁场，并以制成磁电指向仪和磁力探矿仪。由于采用该元件制做的仪器线路简单，易于生产，特别有利于测磁仪器的大批生产。2.无接触开关把磁敏二极管或小磁铁中的一个装在动作体上(见图
9、8)，另一个固定不动。当小磁铁N运动到磁敏二极管时，它输出一个信号给开关电路，控制设备动作。采用上述装置的无接触开关具有动作可靠，便于生产和安装，可广泛应用于自动控制装置中。图8 用磁敏二极管装接触开关 图9 无电刷直流电动机工作原理3.测量转速把元件和永久磁铁都固定不动，在磁路中有空气隙，运动体为导磁体，当它经过磁路空气隙时，磁路闭合，元件给出信号。采用这种装置可测量转数，做成转速表、风速表，其特点是测量速度快(1一5000转/分)，动作可靠。4.测量位移把元件放在磁场中，磁场强度和方向发生变化，引起元件输出电压的变化，据此可对位移进行测量，也可以和弹性元件连用，将压力、流量等参数转换为机械
10、位移。用这种元件检测的优点是:无触点，能直接将位移信号转换为电信号，便于遥控和自控;而且惯性小，可大量应用于自动控制设备中的位置测定。如做成无触点位置检测器(测量铁板长度)、表面光洁度计、测微计、流量计、微音器、拾音器、录音机磁头、重量计等。5.测量电流通电导线的周围存在着磁场，其磁场强弱正比于导线中的电流。将该元件放在导线周围的磁场中，根据元件的输出电压可测知导线中电流的大小。用此可做成无接触电流表，代替电流互感器，其优点是省电和安全。6.利用磁敏二极管与其它器件相结合可制成无电刷直流电机，其原理如图9所示。转子为永久磁铁，转子一旋转，磁敏二极管就输出一个信号电压去控制开关电路，使定子线圈通
11、以电流而促使转子旋转。无电刷电机具有寿命长、高可靠性，高效率、高转速、无干扰等优点。4 总结目前作为磁电转换元件应用较广的有霍尔元件和磁敏电阻，而磁敏二极管还是一种新型元件，但是从磁电转换效率来看，它比前者更具有生命力。随着我国电子工业的发展，磁敏二极管一定会在仪器仪表及工业自动化等方面得到广泛的推广和应用。参考文献1黄英.物理学与信息获取技术J.合肥工业大学学报社会科学版,2006年5期2温殿忠等.采用 MEMS 技术制造硅磁敏三极管J.传感器技术,2009年5期3温殿忠.磁敏感元器件与磁传感器M.哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，20114宁伟超.宽温区开关型霍尔磁敏传感器芯片的设计D.上海大学,20075白韶红.集成霍尔传感器的发展J.自动化仪表，2009 年3期
