霍尔元件

caitingting 时间:2024-01-15

霍尔元件是一种半导体磁电器件,它是利用霍尔效应来进行工作的。

早在1879年人们就在金属中发现了霍尔效应,1910年就有人用铋制成了霍尔元件,用以测量磁场。但由于这种效应在金属中十分微弱,当时并没有引起什么重视。1948年后,由于半导体技术的迅速发展,人们找到了霍尔效应较为显著的半导体材料——锗(Ge),接着,在1958年前后,人们又对化合物半导体——锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)进行了大量的研究,并制成了较为满意的元件。这时霍尔效应以及它所具有的广泛的应用才受到了人们普遍的重视。

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霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔元件可用多种半导体材料制作,如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。

半导体中电子迁移率(电子定向运动的平均速度)比空穴迁移率高,因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件霍尔元件。

常用的半导体材料N型硅、N型锗、锑化铟、砷化铟和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In型固溶体等。

其中N型锗容易加工,其霍尔常数、温度性能、输出线性都较好,应用非常普遍锑化铟元件由于在高温时霍尔常数大,所以输出较大,但对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大;砷化铟的霍尔常数较小,温度系数也较小,输出线性好;砷化镓的温度特性和输出线性好,是较理想的材料,但价格较贵。不同材料适用于不同场合,锑化铟适用于作为敏感元件,锗和砷化铟霍尔元件适用于测量指示仪表。

霍尔元件应用霍尔效应的半导体。

所谓霍尔效应,是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时,产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时,若在垂直于电流的方向施加磁场,则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显,而铁磁金属在居里温度以下将呈极强的霍尔效应。

利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为:

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式中 RH――霍尔系数;n――单位体积内载流子或自由电子的个数;q――电子电量;I――通过的电流;B――垂直于I的磁感应强度;d――导体的厚度。

对于半导体和铁磁金属,霍尔系数表达式和式(2)不同。

由于通电导线周围存在磁场,其大小和导线中的电流成正比,故可以利用霍尔元件测量出磁场,就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不和被测电路发生电接触,不影响被测电路,不消耗被测电源的功率,特别适合于大电流传感。

若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中,则在该元件中将产生电流I,元件上同时产生的霍尔电位差和电场强度E成正比,如果再测出该电磁场的磁场强度,则电磁场的功率密度瞬时值P可由image.png确定。

利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。

如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上,当装在运动物体上的永磁体经过它时,可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数,则可以确定其运动速度。