磁敏二极管：结构和工作原理

1）结　构

磁敏二极管的结构如图7.18所示，在高阻半导体材料（本征型I）两端，分别制作P、N两个电极，形成P-I-N结。其中，P、N都为重掺杂区，本征区I长度较长。同时，对I区的两侧面进行不同的处理，一个侧面磨成光滑面（为I面），而另一面打毛。由于粗糙的表面电子-空穴对易于复合而消失，称其为复合面（r面）。

图7.18　磁敏二极管结构示意图

2）工作原理

当磁敏二极管未受到外界磁场作用，且外加正偏压时，如图7.19（a）所示，将有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子流入P区，从而形成电流。此时，只有少量电子和空穴在I区复合掉。

当磁敏二极管受到外界磁场H＋（正向磁场）作用时，如图7.19（b）所示，电子和空穴受到洛伦兹力的作用而向r区偏转。由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，因此形成的电流因复合而减小。

当磁敏二极管受到外界磁场H－（反向磁场）作用时，如图7.19（c）所示，电子和空穴受到洛伦兹力作用而向I区偏转，由于电子和空穴复合率明显减小，则电流将变大。

图7.19　磁敏二极管工作原理示意图

利用磁敏二极管在磁场强度变化时其电流发生变化，可实现磁电转换。

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3）伏安特性

磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性。磁敏二极管在不同磁场强度的作用下，其伏安特性不一样，如图7.20所示。利用其伏安特性曲线，根据某一偏压下的电流值可确定磁场的大小和方向。(www.xing528.com)

图7.20　锗磁敏二极管的伏安特性

4）特　点

磁敏二极管与其他磁敏器件相比，具有以下特点：

①灵敏度高。磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，且线路简单、成本低廉，更适合于测量弱磁场。

②具有正反磁灵敏度。这一点是磁阻器件所欠缺的，因为磁阻器只与B2有关，正反方向都一样。

③灵敏度与磁场呈线性关系的范围比较窄。这一点不如霍尔元件。

5）应　用

磁敏二极管可用来检测交流和直流磁场，特别适合于测量弱磁场，可对高压线进行不断线、无接触电流测量，还可作为无触点开关、无接触电位计等。

【例7.4】　磁敏二极管漏磁探伤仪。

利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性，可设计成漏磁探伤仪，其原理如图7.21所示。

图7.21　漏磁探伤仪的工作原理图

漏磁探伤仪由激励线圈、铁芯、放大器、磁敏二极管探头等部分组成。将待测物（钢棒）置于铁芯之下，并使之不断转动，在铁芯线圈激磁后，钢棒被磁化。若被测钢棒无损伤部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，无泄漏磁通，磁敏二极管探头没有信号输出。若钢棒上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的指示值可知待测棒中的缺陷。