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1、第卷第期电子测量与仪器学报〔址了尺〔习,年月,,新型半导体集成磁敏传感器的研究毛瀚如姚素英曲宏伟天津大,学电子工程系天津〔摘要〕本文论述,了一种新颖的集成磁敏传感器它是以互补三漏晶体管为磁敏器件采用半导,,偏置电路与磁敏元件集成在同一、体集成电路技术将放大电路芯片上该传感器具有灵敏度高功耗低和体积小等特点。本文详细地分析了传感器的磁敏原理和电路结构,并对传感器的磁敏特性进行了测量和讨论。实验结果基本符合理论设计。关钮词磁敏传感器三漏晶体管高灵敏度集成电路一、引言,、磁敏传感器是一种把磁学物理量转变成电信号的器件
2、广泛应用于自动控制信息传、。、、,递电磁测量等领域半导体磁敏传感器具有灵敏度高体积小响应速度快等特点是发展。,,,磁敏传感器的重要方向以半导体材料硅制成的磁敏器件虽然灵敏度较低但是可以采用硅平面工艺,,偏置电路,补偿电路等制作在同,将磁敏器件与放大电路一芯片上制成集成磁敏传感器,因而显著地提高了传感器的灵敏度。半导体集成磁敏传感器一般分为型及双极型。型硅磁敏器件最初由’,·等人〔〕提出用表面反型导电层制作霍尔器件其磁灵敏度达护。而后由等,少·,川提出用双漏场效应管制作磁敏元件其磁灵敏度达但,。,其负载电阻大稳定
3、性差叩等用这种晶体管做成差分放大器使器件的稳定性有所改善。为了进一步提高双漏磁敏器件的磁灵敏度及稳定性,本文报道一种新颖的集成三漏磁敏传感器。二、工作原理半导体磁敏传感器是利用带电载流子受洛伦兹力作用的电磁效应。在磁场强度作用,,下对于低掺杂型硅电子电流密度为闭了,云一鱼塑土丝鱼兰互塑土垒星鱼卫迎亘〕“产二。本文于年月收到毛赣如副教授姚素英副教授曲宏伟讲师电子测量与仪器学报第卷。毛赣如副教授姚素英副教授曲宏伟讲师。本文于年月收到。。上式表示电子在绝热系统下的电磁效应了表示色一。时的电流密度,一。、,甲。了。产盆
4、式中拜为电子迁移率为电子浓度它为电场强度。为电子扩散系数风为电子霍尔迁移率。上式表示洛伦兹力对载流子有两种作用包含它的项表示对载流子的漂移作用,包含的项表示对载流子的扩散作用。在磁场集中或空间电荷存在的情况下,载流子的扩散起。,,主导作用如果载流子的浓度梯度可以忽略不计载流子的漂移起主导作用式则为,·叉且一氏〔云十产且孟‘云云户〕其中吩下石备歹,,。。当磁场与电场平行时色它则可以得到且一它一,在各向同性的半导体,。,·,中不存在纵向电磁效应当磁场与电场垂直时色它一。则有。。了刀一氏〔孟产云孟〕。,,,上式表示忽
5、略载流子扩散情况下的横向电磁效应根据色一它二,,,和了尼一、,,,,式可以写成。二,二氏一川,,。,二氏产,,。在磁敏器件中结合不同的边界条件式有不同的表达形式,。,三漏晶体管是磁敏传感器的核心部件其结构如图所示它由一个源一个栅,,,。。。,和三个相等电极宽度的漏组成三个漏加以相等电压璐在没有磁场作用时在栅极电压的调控下,三个漏电流相等一一。当垂直于器件表面的方向上存在,,磁场时沟道中载流子受洛伦兹力的作用而发生偏转使三漏晶体管两侧的漏电流,,,,。,发生变化一个漏电流增加一个漏电流减小中间的漏电流保持不变漏电
6、流的变化可以反映磁场的强度。三、电路分析集成三漏磁敏传感器的电路原理如图所示。它由三部分组成。磁敏部分。传感器的核心部分。由互补的三漏晶体管。和三漏晶体。以。。,,。管及组成该部分对磁场敏感把磁信号转变成电信号并初步放大沟三漏晶体管两侧两个漏极分别与沟三漏晶体管两侧两个漏极交叉互连。在磁场作,,以用下沟漏电流增加的或减少漏极与沟漏电流减小或增加的漏极相连形成三漏差分放大,其等效电路如图所示。两个管中间的漏极相连成为晶体管的栅偏置通路,中间漏与栅相接保证该差分放大电路工作在饱和区。图示出在磁场作用下两个互补晶体管
7、的输出特性曲线。实线分别表示不加磁场的情况下,沟和沟晶体管的输出特性。虚线分别表示在磁场作用下,沟和沟晶体管漏极电流增加或减小。,。的输出特性△表示在磁场作用下三漏差分放大器的输出电压由图表明漏极电第期新型半导体集成磁敏传感器的研究流的较小变化将引起输出电压有较大的变化。⋯洲⋯洲图三漏晶体管结构示意图图集成三漏磁敏电路△。,卜一一一一一一甸巴,之二二二一二耳熟△椒的图二漏一图磁敏电路的输出特性图传感器的磁敏特性磁敏晶体管等效电路三漏磁敏器件灵敏度的表达式为、一一、户荞豁豁式中为磁灵敏度为输出电压为磁场强度。和表
8、示单位磁场作用下,沟和沟晶体管两侧漏极电流的变化值。。和表示沟和沟晶体管工作在,。,,。,饱和区时的输出动态电阻和的阻值很大其并联仍较大因此漏极电流较小的变化就会产生较大的输出电压,具有较高的磁灵敏度。。,,,一信号放大及阻抗变换电路实际上是运算放大器由两极放大组成,、。,、。构成单端输出的差分放大级其中用作有源负载其单端输出送至由组成的互补放大器。该部分对电信号进一步放大。经过阻抗变
