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认识霍尔效应和霍尔元件 来源: 本站 发布时间:2011/8/23 9:36:05

霍尔效应和霍尔元件

  2.1 霍尔效应

  如图1所示,在一块通电的半导体薄片上,加上和电影表面垂直的磁场B,在薄片的横向两侧会泛起一个电压,如图1中的VH,这种现象就是霍尔效应,是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。VH称为霍尔电压。

  

  (a)霍尔效应和霍尔元件

  这种现象的产生,是由于通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下,分别向电影横向两侧偏转和蕴蓄,因而形成一个电场,称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反,它阻碍载流子继承堆积,直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时,电影两侧建立起一个不乱的电压,这就是霍尔电压。

  在电影上作四个电极,其中C1、C2间通以工作电流I,C1、C2称为电流电极,C3、C4间掏出霍尔电压VH,C3、C4称为敏感电极。将各个电极焊上引线,并将电影用塑料封装起来,就形成了一个完整的霍尔元件(又称霍尔片)。 (1) 或(2) 或(3)

  在上述(1)、(2)、(3)式中VH是霍尔电压,ρ是用来制作霍尔元件的材料的电阻率,μn是材料的电子迁移率,RH是霍尔系数,l、W、t分别是霍尔元件的长、宽和厚度,f(I/W)是几何修正因子,是由元件的几何外形和尺寸决定的,I是工作电流,V是两电流电极间的电压,P是元件耗散的功率。由(1)~(3)式可见,在霍尔元件中,ρ、RH、μn决定于元件所用的材料,I、W、t和f(I/W)决定于元件的设计和工艺,霍尔元件一旦制成,这些参数均为常数。因此,式(1)~(3)就代表了霍尔元件的三种工作方式所得的结果。(1)式表示电流驱动,(2)式表示电压驱动,(3)式可用来评估霍尔片能承受的最大功率。

  为了精确地丈量磁场,常用恒流源供电,令工作电流恒定,因而,被测磁场的磁感应强度B可用霍尔电压来量度。

  在一些精密的丈量仪表中,还采用恒温箱,将霍尔元件置于其中,令RH保持恒定。

  若使用环境的温度变化,常采用恒压驱动,因和RH比较起来,μn随温度的变化比较平缓,因而VH受温度变化的影响较小。

  为获得尽可能高的输出霍尔电压VH,可加大工作电流,同时元件的功耗也将增加。(3)式表达了VH能达到的极限--元件能承受的最大功耗。

  2.2 霍尔器件

  霍尔器件分为: 霍尔元件 和 霍尔集成电路 两大类,前者是一个简朴的霍尔片,使用时经常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在统一个芯片上。

  2.2.1 霍尔元件

  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。

  InSb和GaAs霍尔元件输出特性见图1(a)、图1(b).

  

  (a)霍尔效应和霍尔元件

  

  (b)InSb霍尔元件的输出特性

  

  (c)GaAs霍尔元件的输出特性

  图1 霍尔元件的结构和输出特性

  这些霍尔元件大量用于直流无刷电机和测磁仪表。

参考:霍尔电流传感器

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