磁敏二极管和磁敏三极管的特点与应用

磁敏二极管和磁敏三极管都是半导体磁敏器件，磁灵敏度比霍尔器件高得多，可以识别磁场极性，但在磁线性度不如霍尔器件。

1.磁敏二极管结构原理

磁敏二极管为P +-i-N +结构，如图8-2 所示，本征(i 型)或近本征半导体(即高电阻率半导体)i 的两端分别制作一个P +-i 结和一个N +-i 结，并在i 区的一个侧面制备一个载流子的高复合区，记为r 区。凡进入r 区的载流子，因复合作用而消失，不再参与电流的传输作用。

图8-2 磁敏二极管结构和电路符号

(a)磁敏二极管结构；(b)电路符号

对磁敏二极管加正向偏压(P +接电源正极，N +接负极)，P +- i 结向i 区注入空穴，N +-i 结向i 区注入电子，有电流I 流过二极管。电流大小随外加磁场而变化，分三种情况：

(1)外磁场B =0：如图8-3(a)所示，注入i 区的空穴和电子通过漂移和扩散运动，大部分都能够分别到达对面的电极，形成电流I0 ；离高复合区r 区较近的载流子，少部分载流子因热运动进入r 区被复合而消失。

(2)外磁场B = B+ ：磁感应强度方向如图8-3(b)所示，用B+ 表示称为正向磁场，注入i 区的电子和空穴在洛伦兹力作用下，都向r 区偏转，其中一部分进入r 区；B+ 越大进入r 区的电子和空穴越多。由于进入r 区的电子和空穴因复合而消失，i 区载流子浓度下降，电流减小电阻变大。导致分配在i 区上外电压增加，分配在P +-i 结和N +-i 结上的正向电压相应减少，引起两个结向i 区注入载流子减少，电流进一步减小。但在一定外磁场下，总有一定数量载流子来不及偏转进入r 区就已到达对面电极，因此流过二极管的电流I+在一定正向磁场作用下达到一个稳定值。在一定的外偏压作用下总有I+ ＜I0 。

(3)外磁场B = B- ：磁感应强度方向如图8-3(c)所示，B- 与B+ 方向相反，注入i区的空穴和电子在洛伦兹力的作用下，背离r 区运动向与r 区相对的侧面偏转；该侧面对载流子的复合作用很小，因无规则热运动而“误入”r 区的载流子比B =0 时大为减少，i 区的载流子浓度比B =0 增大，电流增大电阻下降，i 区上的电压降变小。这导致P +-i 结和N +-i 结上的压降相应增大，使向i 区的载流子注入增强，电流进一步增大，达到一个稳定值I-，I- ＞I0。

图8-3 磁敏二极管工作原理图

(a)外磁场B=0；(b)外磁场B=B +；(c)外磁场B=B -(www.xing528.com)

分析表明，流过磁敏二极管的电流对磁感应强度很敏感。

2.磁敏三极管结构原理

NPN 磁敏三极管结构如图8-4(a)所示，它是在磁敏二极管原来N +区的一端，改成在i 区一端的上侧、下侧各制作一个N +区，与高复合面同侧的N +区为发射区，并引出发射极e；对面一侧的N +区为集电区，并引出集电极c；P +极为基极b。图8-4(b)所示为表示磁敏三极管的两种电路符号。

图8-4 磁敏三极管结构和电路符号

无磁场作用时，由于基区宽度(两个N +区的间距)大于载流子的有效扩散长度，只有少部分从e 区注入基区的载流子(电子)能到达c 区，大部分流向基极，如图8-5(a)所示，Ib ＞Ic，电流放大系数β = Ic/Ib ＜1 。有正向磁场B+ 时，如图8-5(b)所示，在洛伦兹力作用下，e 区注入基区的电子偏离c 极，使Ic 比无磁场作用时明显下降。当磁场为B-时，注入基区的电子在B- 在洛伦兹力作用下向c 极偏转，Ic 明显增大，如图8-5(c)所示。

图8-5 磁敏三极管工作原理图

3.磁电特性

磁电特性是指磁敏二极管在一定的负载电阻条件下，磁敏二极管两端的输出电压与磁感应强度的关系曲线。如图8-6(a)所示，磁敏二极管单个使用时的磁电特性曲线，磁电特性曲线的测试原理分别如图8-6(b)、图8-6(c)所示，U0 为一定RL 下外磁场为零时磁敏二极管两端的电压。正向磁场B+ 时二极管两端电压变化ΔUH = U+- U0 为正向输出电压。负向磁场B- 时输出电压为。在同样的磁场变化条件下ΔU+ ＞ΔU- ，表明磁敏二极管对正向磁场更灵敏。

图8-6(d)所示为两个磁敏二极管互补使用时磁电特性曲线。互补使用是指选用两只特性相同或相近的磁敏二极管，使它们的高复合表面r 相对或相背叠放，再串接于电路；有外磁场作用时，由于两个管子对磁场的极性相反，互补管的灵敏度是两只管子的灵敏度之和，且特性曲线对正向、负向磁场对称，弱磁场下有较好的线性。

图8-6 磁敏二极管的磁电特性及其测试