08第八章 霍尔传感器

电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fl的
作用，fl的大小为:
fl=eBv
式中：e——电子电荷； v——电子运动平均速度； B——磁场的磁感应强度。
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霍尔效应原理图
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fl的方向在图中是向内的，此时电子除了沿电流反方向作 定向运动外，还在fl的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面 积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH， 称霍尔电场，该电场强度为:
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2. 霍尔元件基本结构
霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组 成的， 如图（a）所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线： 1、 1′两根引线加激励电压或电流，称激励电极 （控制电极）； 2、 2′引线为霍尔输出引线， 称霍尔电极。 霍 尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。 在电 路中， 霍尔元件一般可用两种符号表示， 如图（b）所示。
R=U/I=El/I=vl/(μnevbd)（因为μ=v/E, μ为电子迁移率），则
k l bd nebd
解得
RH=μρ
（半导体）材料性能好？
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从式可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移 率μ的乘积。 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因 此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 一般金属 材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极 高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔 片。目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、 锑化铟等 半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、 温度性 能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、 温度 性能同N型锗。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系 数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小， 温度系数也较小，输出特性线性度好。表7-1为常用国产霍尔元 件的技术参数。
EH
UH b
式中, UH为电位差。
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霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用 外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为eEH，此力阻止电 荷继续积累。 随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大， 电子受到的霍尔电场力也增大，当电子所受洛伦磁力与霍尔电 场作用力大小相等方向相反，即
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(2） 输入电阻和输出电阻
激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对 电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。 以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在20℃±5℃电势和不等位电阻
当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度 为零， 则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的 空载霍尔电势称为不等位电势，如图7-11所示。 产生这一现象 的原因有：
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1. 霍尔效应
置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向 不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间 产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。
如图所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导
电板通以电流I，方向如图所示。导电板中的电流使金属中自由
时， 则
eEH=eBv EH=vB
此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。
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若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速
度为v，则激励电流I=nevbd，即：
v I mebd
EH
IB nebd
UH
IB ned
式中令RH=1/ne，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流
子密度, 则
磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分
量，即Bcos，这时的霍尔电势为
EH=KHIBcos
结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正 比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改 变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同 频率的交变电势。
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1. 霍尔元件的材 料霍 尔 元 件 激 励 极 间 电 阻 R=ρl/(bd) ， 同 时
I——激励电流。
由上式可以看出，不等位电势就是激励电流流经不等位电 阻r0所产生的电压， 如上图所示。
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(4） 寄生直流电势
在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出 除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。 其产生的原因有：
第八章 霍尔传感器
本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的特 性及其在检测技术中的应用，还 涉及磁场测量技术。
霍尔元件是 一种四端元件
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第一节 霍尔元件的结构及工作原理
d
a b
c
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的 作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端 面之间建立起霍尔电势。
① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；
② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不 均匀；
③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。
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不等位电势示意图
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不等位电势也可用不等位电阻表示， 即
r0
U0 I
式中： U0——不等位电势；
r0——不等位电阻；
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霍尔元件 （a） 外形结构示意图； （b） 图形符号
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3. 霍尔元件基本特性
(1) 额定激励电流和最大允许激励电流
当霍尔元件自身温升10℃ 时所流过的激励电流称为额定 激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为 最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加， 所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件 的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励 电流增加。
UH RHdIBKHIB
式中, KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。
由上式可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其 灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提 高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。
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磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势
若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法 线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效