第十一章霍爾元件及傳感器裝置

1、第十一章霍爾元件及傳感器裝置111 霍爾元件及其傳感器n一，霍爾效應(yīng)電子積累正電荷積累fLfE在置于磁場(chǎng)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，若電流與磁場(chǎng)垂直，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象就是，是由科學(xué)家愛(ài)德文1879年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳霍爾傳感器感器。 半導(dǎo)體薄片IB相對(duì)側(cè)面通電流垂直方向加磁場(chǎng)UH洛倫茲力：evBfL電場(chǎng)力：bUeeHHEEf霍爾電場(chǎng)霍爾電勢(shì)-另一相對(duì)面產(chǎn)生靜電場(chǎng)，電勢(shì)zxyIADBCBbldUHA、B-霍爾電極 C、D-控制電極在洛侖茲力的作用下，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)形成負(fù)電荷的積累，另一側(cè)則形成正電荷的積累。這樣

2、，A、B兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場(chǎng)，稱為霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。 動(dòng)態(tài)平衡：ffELbeevBUH即電流 ：nevbdI式代入式， 可得：nedIBUH設(shè)霍爾系數(shù)： neRH1dIBRUHH:則設(shè)霍爾靈敏度：dnedIBRUKHHH1IBKUHH（它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱）單位體積中的載流子n 霍爾靈敏度 KH 表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下的霍爾電勢(shì)的大小。它與霍爾系數(shù) RH 成正比，與霍爾元件的厚度d成反比?；魻栂禂?shù)RH 可作為材料選擇的依據(jù)：定義單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，載流子的平均運(yùn)動(dòng)速度為載流子遷移率。 電子遷移率和霍爾

3、系數(shù)的關(guān)系如下：HR電阻率由霍爾系數(shù)定義有：neRH1IEv遷移率 dIBdIBRUHH霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)上式，材料的、大，RH就大。金屬的雖然很大，但很小，故不宜做成元件。在半導(dǎo)體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且NP，所以霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。 討論適合做霍爾元件半導(dǎo)體：絕緣體：金屬：即：常用材料有硅，鍺，銻化銦，砷化鎵2)霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。 d 愈小，KH 愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄。但d太小，會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加。元件的長(zhǎng)度比l/b對(duì)UH也有影響。為了減少短路影響，l/b要大一些，一般l/b=2。但如果l/b過(guò)大，

4、反而使輸入功耗增加降低元件的輸出。3)霍爾電壓UH與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)控制電流恒定時(shí)愈大愈大。當(dāng)磁場(chǎng)改變方向時(shí)，也改變方向。同樣，當(dāng)霍爾靈敏度及磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定時(shí)，增加控制電流，也可以提高霍爾電壓的輸出。 二， 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路結(jié)構(gòu)：圖11-21-1控制電極UI：加控制電流2-2霍爾電極UH ：輸出霍爾電壓霍爾電極的位置應(yīng)在基片長(zhǎng)度的1/2處；霍爾電極的寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于基片長(zhǎng)度。 符號(hào)： 圖11-3 a)基本電路：圖11-3 b)三、主要特性1、最大電流損耗功率：tlbWS2bdlIWI2發(fā)散功率：WWI/222msmmsmtdbItlbbdlI霍爾元件表面散熱系數(shù)霍爾元件表面溫升/

5、21msHHmtdBbRdU最大激勵(lì)電流：最大開(kāi)路霍爾電勢(shì)：代入BIKUH最大磁感應(yīng)強(qiáng)度靈敏度：BUKHmHm2、最大輸出功率及效率vHmRUPm42最大功率：最大效率：1622Bm3、輸出電動(dòng)勢(shì)與霍爾元件尺寸的關(guān)系dIBRUHHldbRv5 . 22blmmd1 . 0取lxlxb21,與厚度的關(guān)系與長(zhǎng)度的關(guān)系與電極位置的關(guān)系霍爾元件輸出電阻_vR四、基本誤差及補(bǔ)償1、采用恒流源激勵(lì)補(bǔ)償電阻00)(IIRRR2、選擇合適的負(fù)載電阻) 1(0ILRR3、采用溫度補(bǔ)償元件五、溫度特性霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系020406080100-20-40100200300t()

6、Rt/R0(%)020406080100-20-40100200300t()UHt/UH0(%)Si (1)Si (2)Ge(Hz-4)Ge(Hz-2)InAsInSb-1-3InSbInAsGe (Hz -1、2、3)Si霍爾內(nèi)阻與溫度的關(guān)系曲線霍爾內(nèi)阻與溫度的關(guān)系曲線 霍爾電壓與溫度的關(guān)系曲線霍爾電壓與溫度的關(guān)系曲線六、溫度補(bǔ)償霍爾元件溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏?，下面介紹兩種常用的方法:1）利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償。REIREIRitUHra）基本電路 b）等效電路Rvt上圖是輸入補(bǔ)償?shù)幕揪€路，圖中的四端元件是霍爾元件的符號(hào)。兩個(gè)輸入端串聯(lián)補(bǔ)償電阻R并接恒電源，輸出端開(kāi)路。根據(jù)溫度特性，元

7、件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為：)1 ()1 (00tRRtRRititHtHt式中，RHt為溫度為時(shí)霍爾系數(shù)，Rit為溫度為時(shí)的輸入電阻為霍爾電壓的溫度系數(shù), 為輸入電阻的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化t 時(shí)，其增量為: ,00tRRtRRiiHHitHtHHRREBdRRUtRRRUUiiHH)(000可得出霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為:對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)式:上式中的第一項(xiàng)表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍爾電壓的增量；第二項(xiàng)表示輸入電阻因溫度升高引起霍爾電壓減小的量。要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使 : 即 000RRRii)(0iRR 七， 霍爾式傳感器 利用霍爾輸出正比于控制電流I的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積關(guān)系，可以分別使其中一個(gè)量保持不變，而另一個(gè)量作變量，或兩者都作為變量（霍爾乘法器），從而構(gòu)造出各種傳感器。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過(guò)處理的霍爾輸出信號(hào)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出信號(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成。2 線性集成霍爾傳感器霍爾電流、電壓