磁敏二極管工作原理

晶體二極管為一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n　結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。

當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。

當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場和自建電場進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流I0。

當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。

磁敏二極管工作原理

在電路中，P＋區(qū)接正電極，N＋區(qū)接負(fù)電極，即給磁敏二極管加上正電壓時(shí)，P＋區(qū)向i區(qū)注人空穴，N＋區(qū)向i區(qū)注入電子。在沒有外加磁場時(shí)，大部分的空穴和電子分別流人N＋區(qū)和P＋區(qū)而產(chǎn)生電流，只有很少一部分載流子在i區(qū)或r區(qū)復(fù)合，如圖(a)所示。此時(shí);區(qū)有固定的阻值，器件呈穩(wěn)定狀態(tài)。若給磁敏二極管外加一個(gè)磁場B＋時(shí)，在正向磁場的作用下，空穴和電子在洛侖茲力的作用下偏向r區(qū)，如圖(b)所示。由于空穴和電子在，區(qū)的復(fù)合速率大，因此載流子復(fù)合掉的比沒有磁場時(shí)大得多，從而使i區(qū)中的載流子數(shù)目減少，i區(qū)電阻增大，該區(qū)的電壓降也增加，又使P＋與N＋結(jié)的結(jié)壓降減小，導(dǎo)致注人到i區(qū)的載流子數(shù)目減少。其結(jié)果是使i區(qū)的電阻繼續(xù)增大，其壓降也繼續(xù)增大，形成正反饋過程，直到迸人某一動平衡狀態(tài)為止。當(dāng)給磁敏二極管加一個(gè)反向磁場B-時(shí)，載流子在洛侖茲力的作用下均偏離復(fù)合區(qū)r，如圖(c)所示。其偏離，區(qū)的結(jié)果與加正向磁場時(shí)的情況恰恰相反，此時(shí)磁敏二極管的正向電流增大，電阻減小。

磁敏二極管工作原理圖

從以上的工作過程可以看出，磁敏二極管是采用電子與空穴雙重注人效應(yīng)及復(fù)合效應(yīng)原理工作的，具有很高的靈敏度。由于磁敏二極管在正、負(fù)磁場作用下，其輸出信號增量的方向不同，因此利用這一點(diǎn)可以判別磁場方向。

磁敏二極管是一種新型的磁電轉(zhuǎn)換器件。這種元件比霍爾元件的探測靈敏度高，且具有體積小、響應(yīng)快、無觸點(diǎn)、輸出功率大及線性特性好的優(yōu)點(diǎn)。該器件在磁力探測、無觸點(diǎn)開關(guān)、位移測量、轉(zhuǎn)速測量及其他各種自動化設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。
磁敏二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通二極管不同，在Ｐ區(qū)與Ｎ區(qū)之間有一線度遠(yuǎn)大于載流子擴(kuò)散長度的高純空間電荷區(qū)——１區(qū)，在１區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，嵌有一載流子高復(fù)合區(qū)——Ｒ區(qū)，其基本結(jié)構(gòu)如圖１所示。該管采用電子與空穴雙注入效應(yīng)及復(fù)合效應(yīng)來控制流過ＰＮ結(jié)的電流。在外界磁場的作用下，兩效應(yīng)作用結(jié)果以乘積取值。因此它具有很高的探測靈敏度。當(dāng)外界無磁場時(shí)，加正向電壓，Ｎ區(qū)電子大部分注入Ｐ區(qū)空穴內(nèi)（圖２），只有少數(shù)載流子在１區(qū)及Ｒ區(qū)復(fù)合，器件呈穩(wěn)定狀態(tài)。若外界加一正向磁場Ｂ＋（圖３）時(shí)，在正向磁場洛侖茲力的作用下，空穴及電子運(yùn)動方向均偏向Ｒ區(qū)，空穴及電子在Ｒ區(qū)的復(fù)合率極高，因此大部分載流子在Ｒ區(qū)復(fù)合，則１區(qū)中載流子數(shù)目大為減少，Ｒ區(qū)電阻隨之增大，壓降亦增大，從而循環(huán)產(chǎn)生正反饋，使該管外部表現(xiàn)為電阻增大，電流減小，壓降增大；反之，外界加Ｂ－（圖４）時(shí)，則外部表現(xiàn)為電阻減小，電流增大，壓降減小。
磁敏二極管的電壓輸出特性如圖５所示，由圖可看出，在弱磁場作用下，輸出電壓（Ｕ）與磁感應(yīng)強(qiáng)度（Ｂ）成正比呈線性關(guān)系，磁敏二極管的伏安特性如圖６所示。在磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ不同時(shí)，有著不同的伏安特性曲線，ＡＢ為負(fù)載線。由圖可以看出，通過磁敏二極管的電流越大，在同一磁場作用下，輸出電壓越高，靈敏度也越高。在負(fù)向磁場作用下，其電阻小、電流大；在正向磁場作用下，其電阻大，電流小。
最后，在選擇該管時(shí)還要注意一些重要的參數(shù)，額定工作電壓：Ｖ０；工作電流：Ｌ０；及使用頻限ｆ０。例如國產(chǎn)２ＡＣＭ－１Ａ管，其Ｖ０＝１２Ｖ，２ｍＡ＜Ｉ０＜２１５ｍＡ，ｆ０＜１０ｋＨｚ。