磁敏二极管是指其电特性随外部磁场改变而有显著变化的一种结型二端器件，它的电阻随磁场的大小和方向均会发生改变。

1.磁敏二极管的结构

一种P＋-I-N＋型磁敏二极管的结构如图6-10所示。其中，I区由高阻本征半导体硅或锗组成，其长度为L，因L远大于载流子的扩散长度，故又称之为长基区二极管；P＋、N＋分别为重掺杂区域。磁敏二极管在加工过程中，需对I区的两个侧面进行不同的处理：一侧磨光，另一侧通过扩散杂质或喷砂制成高复合区，又称为r（recombinatiop）区。

图6-10　磁敏二极管

2.磁敏二极管的工作原理

普通P＋-I-N＋二极管的I区不存在粗糙的复合面，若在其两端施加电压V，则其内部的分压关系为U＝UP＋－I＋UI＋UI－N＋。此时，大量的空穴和电子分别由P＋区和N＋区向I区注入（称为双注入），电子和空穴的数目基本相等。因I区无复合面，故只有少数载流子能够在体内复合掉，大多数分别到达N＋和P＋区，形成的电流I＝IP＋IN。

与普通P＋-I-N＋二极管不同，磁敏二极管I区的一个侧面是用杂质扩散或者喷砂法制成的高复合区。如果在其两极施加恒定电压，同时在垂直于电场方向施加磁场，那么由于洛仑兹力的作用将使载流子偏向或远离复合区。假设在某个方向的磁场作用下，电子和空穴因受洛仑兹力作用，都向r面偏转，因r面的高复合特性，使得进入I区的电子和空穴很快就被复合掉，从而使I区载流子密度减小，电阻增大，电压降UI也增大，导致N＋-I结和P＋-I结上的电压降UP＋－I和UI－N＋减小，注入的载流子也相应减少。如此反复，直到电流无法再减小且达到某一稳态值为止。若改变磁场方向，电子和空穴将向与r区相对的光滑面流动，因光滑面载流子复合能力较弱，使得I区载流子浓度增加，电阻减小，电压降UI也减小，相应地UN＋－I和UP＋－I增加，载流子的注入量也增加，电流进一步增大。如此正反馈，直到电流饱和为止。

对于磁场使电子和空穴都向r区偏转的情况，若磁场强度H增加，则洛仑兹力也增加，载流子运动行程也将增加，从而加深了r区对载流子表面复合的程度，磁敏二极管表现出更强的磁阻效应。

对于磁场使电子和空穴都偏离r区的情况，若磁场强度H减小，电子、空穴的复合率将进一步变小，载流子浓度增加，表现出的电流就会变大。

综上所述，当在磁敏二极管的两端加恒定电压时，其I区两端的正、负输出电压UI会随着外加磁场的大小和方向而变化，而且高复合面与光滑面之间的复合率差别愈大，磁敏二极管的灵敏度也就愈高。当在磁敏二极管的两端外加反向偏压时，由于PN结的整流作用，仅流过很小电流，该电流与磁场几乎无关。

图6-11　磁敏二极管的测量电路

由于磁敏二极管I区两端的电压无法直接测量，故使用时一般测量的是磁场造成磁敏二极管电流的变化，如图6-11所示。图中，U＝E－I（B）R，其中，I（B）是流过磁敏二极管的电流，它随外部磁场B而变化。测出U，即可得到相应的I（B），进一步可以得到相应的B，这就是应用磁敏二极管测量磁场的基本原理。

3.磁敏二极管的主要技术参数

（1）磁灵敏度

描述磁敏二极管磁灵敏度的主要参数包括电流相对磁灵敏度、电压相对磁灵敏度和电压绝对磁灵敏度等，其含义见表6-2。测试电路可参考图6-11来构造。

表6-2　描述磁敏二极管磁灵敏度的主要参数

注：I（B）、U（B）分别指当磁感应强度为B时流过磁敏二极管的电流和电压。

（2）温度特性(www.daowen.com)

随着温度的变化，磁敏二极管的伏-安特性、磁灵敏度以及输出电压等都会发生相应的变化。对于如图6-11所示的电路，在E＝6V、B＝1kG（高斯）以及电阻R确定的条件下，当温度分别为－20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃时，可测出对应的电流I（B）分别为0mA、0.2mA、0.6mA、1.3mA、2.3mA、5mA，I（B）随温度的升高而增加。同样条件下，当温度分别为－20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃时，对应的输出电压变化量分别为0.75V、0.8V、0.79V、0.7V、0.56V、0.4V。可以看出，随着温度的增加，磁敏二极管输出电压的变化量有短暂的增加，然后又会下降。

一般地，Ge磁敏二极管在B＝0时的输出电压U（0）的温度系数为－60mV/℃，ΔU（U的变化量）温度系数为1.5％/℃，适用的工作温度为－40℃～65℃。而Si磁敏二极管U（0）的温度系数为＋20mV/℃，ΔU的温度系数为0.6％/℃，适用的工作温度为－40℃～85℃。基于上述原因，磁敏二极管在实际使用时，需要进行温度补偿。

图6-12给出了几种温度补偿电路。

图6-12（a）中，两只磁敏二极管性能相近，但感磁面方向相反。由于温度的变化对两个磁敏二极管阻值的影响基本相同，故其分压比将基本不变，输出电压U也不随温度而变化，这样就达到了温度补偿的目的。此外，该互补电路还能提高磁灵敏度，这是因为当外磁场为B时，若VD2的等效阻抗增加，则VD1的等效阻抗必然减小，这样相对于在VD1位置上放置一个固定电阻来说，显然VD2上的分压会更多。图6-12（b）中，两只磁敏二极管性能接近，感磁面方向也相反，因此温度的影响对a、b两点是一样的，故Uab消除了温度的影响，同时，由于VD1、VD2感磁面方向相反，故其输出将会是非差分电路的两倍。图6-12（c）综合了图6-12（a）（b）两种补偿方法，具有最好的温度补偿性和最高的灵敏度。

图6-12　磁敏二极管的温度补偿电路

（3）伏安特性

图6-13给出了Ge磁敏二极管与Si磁敏二极管的伏安特性曲线。注意Si磁敏二极管的伏安特性曲线中产生“负阻”现象。其原因是高阻I区的热平衡载流子少，注入I区的载流子在未填满复合中心前不会产生较大电流。只有当填满复合中心后电流才开始增加，同时I区压降减少，表现为负阻特性。

图6-13　Ge磁敏二极管与Si磁敏二极管的伏安特性曲线

（4）磁电特性

在给定条件下，磁敏二极管的输出电压的变化量ΔU与外加磁场H的关系称为磁敏二极管的磁电特性。如图6-14所示为磁敏二极管的磁电特性曲线。其中，图6-14（a）表示单个使用，图6-14（b）表示互补使用时的情况。可以看出，单个使用时，正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度；互补使用时，正向特性与反向特性曲线基本对称。当磁场强度增加时，曲线有饱和趋势。但在弱磁场下，曲线有很好的线性。

图6-14　磁敏二极管的磁电特性曲线

4.磁敏二极管测磁的特点

磁敏二极管测磁具有如下特点：

①既可以测量磁场强度又可以测量磁场的方向。

②可用来检测交、直流磁场，特别适合于测量弱磁场。

③可以正、反向测量，利用这一特性可制作无触点开关。

④灵敏度高，即使在小电流下，也可获得很高的灵敏度。

⑤线性性能不如霍尔元件。