当前课程知识点：集成传感器 > 第五章（下） > 第7节 磁敏三极管 > 5-7 磁敏三极管
既然经过特殊设计的二极管
可以作为磁敏传感器来使用
那么三极管自然也应该
可以设计成为磁传感器
首先我们来介绍一下
双极型磁敏三极管
这个图就是一个NPN型的
磁敏三极管的结构原理图
与常用的双极型三极管结构不同
磁敏三极管一般有两个集电极
有的甚至有多个集电极
器件设计成对称结构
正常工作时
晶体管的BE结正向偏置
BC结反向偏置
与普通三极管类似
这样根据这个
磁敏三极管的结构图
我们可以知道
从发射极注入的载流子
经过基区
将垂直于基片运动
并进入两个集电极
如果器件的周围没有外加磁场
由于器件结构的对称性
两个集电极的电流相等
如果器件周围有垂直于
结构示意图纸面的磁场时
竖直运动的载流子
受到洛伦兹力的作用
产生霍尔效应
向左右两边偏移
偏移的方向取决于
外加磁场的方向
此时两个集电极电流
将分别增大或者减小
两者的差值就形成了传感器的
输出信号
这样将磁敏三极管的两个集电极
作为一个差分放大器的输入
就可以获得与外加磁场强度
成正比的输出信号
事实上 由于外加磁场的存在
注入载流子受到洛伦兹力作用后
至少从三个方面引起了
器件集电极电流的变化
首先是刚才提到的霍尔效应
载流子运动轨迹偏移
使器件集电极的电流发生改变
其次霍尔效应会使图示器件
结构的左右两边产生霍尔电压
使得沿着发射极和基极P-N节
产生一定的电势差
这样就会导致发射极的载流子
注入产生不对称
从而引起
两个集电极电流的不对称
这个模式也称为发射极调制模式
第三 外加磁场
使得器件内部的载流子浓度
产生不对称
从而导致器件内部的
局部电导率发生变化
以上三个效应中后两个是
器件对外加磁场的非线性响应
描述磁敏三极管性能的常用参数
是相对灵敏度
它定义为左边的这个式子
式子中分子为外加磁场作用下
集电极电流的差
分母为集电极电流的和
与磁感应强度的乘积
一般情况下
双极型磁敏三极管的相对灵敏度
在1%到150%每特斯拉之间
但是集电极电流的绝对值
很多都小于一个微安
因此器件的信噪比
相对是比较低的
双极型磁敏晶体管
有比较鲜明的性能特点
首先它的灵敏度很高
可以比霍尔器件高100倍
其次相比于磁敏二极管
双极型磁敏晶体管的制造工艺
与标准集成电路有更大的兼容性
设置磁敏二极管的复合区
需要比较特殊的工艺和基片
第三 双极型磁敏晶体管的
信号偏移和漂移较大
信噪比也比较低
这些缺点主要来源于
制造工艺上的缺陷或者瑕疵
使得器件的精度
受到了很大的限制
所以到目前
双极型磁敏晶体管的应用
还是比较有限的
但是它精度高
工艺兼容性好的优点
仍然在吸引人们
尝试开发高性能的
基于双极型磁敏晶体管的
单片磁场检测系统
另外 采用场效应晶体管结构
也可以制造磁敏传感器
与双极性磁敏晶体管的结构类似
磁敏场效应晶体管
也是具有分开 且对称的漏极
这个图就是有两个漏极的
磁敏场效应晶体管的结构示意图
当有外加磁场垂直于反型层的时候
沟道中的电流被洛伦兹力偏转
使两个漏极的电流不再平衡
它们之间的电流差
与外加磁场强度成正比
这个图是一个典型的具有两个漏极的
磁敏场效应晶体管
在 有和没有外加磁场情况下
漏极电流与栅电压之间的
关系 测试和仿真曲线
图中黑色和红色曲线
分别为两个漏极电流
没有外加磁场时
两条曲线重合
说明 器件的对称性比较好
信号偏移比较小
当有外加磁场时
两个电流分别增大和减小
电流差与外加磁场强度成正比
类似于双极型磁敏晶体管
磁敏场效应晶体管的相对灵敏度
取决于两个漏极电流的值
以及外加磁感应强度
如左边这个式子所示
与霍尔器件相比
磁敏场效应晶体管的相对灵敏度比较低
这是因为晶体管的漏极电流
是比较大的
刚才举例的器件的漏极电流
在几十微安量级
而磁场作用下的漏极不平衡电流
不到一个微安
这个图
我们对比了霍尔磁传感器
双极型晶体管 以及磁敏场效应管的
一些主要特点
从制造工艺上
双极型晶体管和磁敏场效应管
分别采用各自的不同的工艺技术
而霍尔器件
两种工艺都可以使用
相对灵敏度方面
双极型晶体管最高
霍尔器件居中
磁敏场效应管最小
在零偏 噪声 温度敏感应方面
霍尔器件比两种磁敏晶体管都占有优势
而在集成性方面
霍尔器件必须作为一个独立的器件
与后部的信号处理电路相连接
而两种磁敏晶体管
在没有外加磁场的情况下
与普通晶体管区别不大
可以视为一个普通晶体管
完全集成在信号通讯建立途中
所以 磁敏晶体管的集成性
更好一点
因此 根据这个表我们不难理解
对于单个磁敏传感器而言
由于霍尔器件的性能更好
所以使用最多 最普遍
然而 对于未来的
具有高集成度的智能传感器而言
磁敏场效应管与CMOS工艺完全兼容
而且具有很好的线性度
将成为非常有优势的
备选磁敏传感器之一
好 今天的内容就介绍到这里
谢谢大家
-第1节 什么是传感器
-第2节 什么是集成传感器
-第3节 集成传感器的应用
-第4节 硅材料与半导体物理简介
-第5节 半导体器件简介
-第1节 集成力传感器
-第2节 集成压阻压力传感器
-第3节 电容式力传感器
-第二章--习题
-第1节 温度传感器简介
-第2节 硅热敏电阻
-第3节 PN结温度传感器
-第4节 双极型晶体管温度传感器
-第5节 热电传感器
-第三章--习题
-第1节 湿度传感器简介
-第2节 湿度的定义与检测方法
-第3节 多种原理的集成湿度传感器-1
-第4节 多种原理的集成湿度传感器-2
-第四章--习题
-第1节 磁传感器简介
-第2节 霍尔效应
--5-2 霍尔效应
-第3节 霍尔传感器的设计
-第4节 霍尔传感器的示例
-第五章（上）--习题
-第5节 磁电阻传感器
-第6节 磁敏二极管
-第7节 磁敏三极管
-第五章（下）--习题
-第1节 光波与光传感器简介
-第2节 光电导效应与光敏电阻
-第3节 光敏二极管和三极管-1
-第六章（上）--习题
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-第5节 光电池
--6-5 光电池
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-第六章（下）--习题
-第1节 气体传感器概述
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-第2节 气体传感器分类及性能指标
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-第3节 接触（催化）燃烧式气体传感器
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-第4节 电阻式金属氧化物半导体传感器
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-第5节 电化学式气体传感器
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-第6节 MOSFET型气体传感器
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-第7节 集成气体传感器实例和未来
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-第七章（下）--习题
-讨论一
-讨论二
-讨论三
-第一部分 引言与智能传感器
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-第二部分 无线传感网络、总结与展望
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-第八章--习题
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-讨论二
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