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，霍爾效應電子積累正電荷積累fLfE在置于磁場的導體或半導體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象就是，是由科學家愛德文1879年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢差稱為。利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾傳霍爾傳感器感器。 半導體薄片IB相對側(cè)面通電流垂直方向加磁場UH洛倫茲力：evBfL電場力：bUeeHHEEf霍爾電場霍爾電勢-另一相對面產(chǎn)生靜電場，電勢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電場，稱為霍爾電場。該電場對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。 動態(tài)平衡：ffELbeevBUH即電流 ：nevbdI式代入式， 可得：nedIBUH設霍爾系數(shù)： neRH1dIBRUHH:則設霍爾靈敏度：dnedIBRUKHHH1IBKUHH（它反映材料霍爾效應的強弱）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強度和單位控制電流下的霍爾電勢的大小。它與霍爾系數(shù) RH 成正比，與霍爾元件的厚度d成反比。霍爾系數(shù)RH 可作為材料選擇的依據(jù)：定義單位電場強度作用下，載流子的平均運動速度為載流子遷移率。 電子遷移率和霍爾

3、系數(shù)的關系如下：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。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型半導體材料。 討論適合做霍爾元件半導體：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。 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，會使元件的輸入、輸出電阻增加。元件的長度比l/b對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與控制電流及磁場強度有關。當控制電流恒定時愈大愈大。當磁場改變方向時，也改變方向。同樣，當霍爾靈敏度及磁感應強度恒定時，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)構和基本電路結(jié)構：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在基片長度的1/2處；霍爾電極的寬度應遠小于基片長度。 符號： 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最大激勵電流：最大開路霍爾電勢：代入BIKUH最大磁感應強度靈敏度：BUKHmHm2、最大輸出功率及效率vHmRUPm42最大功率：最大效率：1622Bm3、輸出電動勢與霍爾元件尺寸的關系dIBRUHHldbRv5 . 22blmmd1 . 0取lxlxb21,與厚度的關系與長度的關系與電極位置的關系霍爾元件輸出電阻_vR四、基本誤差及補償1、采用恒流源激勵補償電阻00)(IIRRR2、選擇合適的負載電阻) 1(0ILRR3、采用溫度補償元件五、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)阻與溫度的關系曲線霍爾內(nèi)阻與溫度的關系曲線 霍爾電壓與溫度的關系曲線霍爾電壓與溫度的關系曲線六、溫度補償霍爾元件溫度補償?shù)姆椒ê芏啵旅娼榻B兩種常用的方法:1）利用輸入回路的串聯(lián)電阻進行補償。REIREIRitUHra）基本電路 b）等效電路Rvt上圖是輸入補償?shù)幕揪€路，圖中的四端元件是霍爾元件的符號。兩個輸入端串聯(lián)補償電阻R并接恒電源，輸出端開路。根據(jù)溫度特性，元

7、件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關系式為：)1 ()1 (00tRRtRRititHtHt式中，RHt為溫度為時霍爾系數(shù)，Rit為溫度為時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)。當溫度變化t 時，其增量為: ,00tRRtRRiiHHitHtHHRREBdRRUtRRRUUiiHH)(000可得出霍爾電壓隨溫度變化的關系式為:對上式求溫度的導數(shù)，可得增量表達式:上式中的第一項表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍爾電壓的增量；第二項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的磁感應強度B的乘積關系，可以分別使其中一個量保持不變，而另一個量作變量，或兩者都作為變量（霍爾乘法器），從而構造出各種傳感器。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關型集成霍爾傳感器開關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。其輸出信號與磁感應強度成比例。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