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霍尔器件

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霍尔器件E.H.霍尔于1879年发现的。利用霍尔效应的固态电子器件。


图片  霍尔器件
  Hall element
  利用霍尔效应的固态电子器件。E.H.霍尔于1879年发现:一块矩形导体或半导体材料在磁感应强度为Bz的磁场中,在垂直于磁场的方向有电流Ix通过试件(图1),在既垂直于磁场Bz、又垂直于电流Ix的方向将产生电场Ey,这就是霍尔效应。这个电场在电极3和4之间产生电动势UH,称为霍尔电动势
  UH=-RHBzIx/d
  式中Ix为从电极1到电极2的电流;d为试件厚度;RH为比例系数(称霍尔系数)。霍尔系数与试件中载流子浓度有关。
  
图片  式中n为试件中导电载流子浓度;q为电子的电荷。霍尔系数的符号决定于试件中载流子是带正电荷或负电荷。
    霍尔器件除矩形外,还有十字形、方形、四叶苜蓿叶形和其他更复杂的形状(图2)。形状不同,试件中电势分布也不同。霍尔电极的焊点占一定面积,也影响电势分布。为此引进一个形状因子K
  UH=-KRHIxBz/d
    已知试件的尺寸、磁场强度和电流,测量霍尔电动势即可求得试件的载流子浓度。载流子浓度是半导体材料的一个重要参量。在不同温度下测量霍尔系数可以得到试件中载流子浓度和温度的关系。这是了解半导体材料的基本性质的一个重要方法。在给定的电流强度下,产生的霍尔电动势与磁场强度成正比。可以利用这一原理来测量磁场强度。
  在图1的电极1,2间加恒定电压Ui,霍尔电动势的表达式可变换成
  UH=(UiμB)(Kw/l)
  式中 Ui为两个电流电极之间的电压;μ为试件中载流子迁移率;w和l分别为试件的宽度和长度。恒定电压下电极3和4之间的电压也与磁场强度成正比。
  实际上,用霍尔器件测量磁场强度时,是用恒定电流法还是用恒定电压法,要考虑多方面的因素,如磁场强度和霍尔电压间的线性误差、灵敏度的温度系数、同样工艺条件制造的器件的性能分散程度等。
  用霍尔器件测量磁场强度的特点是:器件很小很扁(可以放在窄缝中),有很高的准确度、灵敏度和稳定性,还有很宽的工作温度范围。
  已知试件的尺寸、磁场强度和电流,测量霍尔电动势即可求得试件的载流子浓度。载流子浓度是半导体材料的一个重要参量。在不同温度下测量霍尔系数可以得到试件中载流子浓度和温度的关系。这是了解半导体材料的基本性质的一个重要方法。在给定的电流强度下,产生的霍尔电动势与磁场强度成正比。可以利用这一原理来测量磁场强度。
    如果磁场由电磁铁产生(图3),磁场强度与电流强度IB成比例,在磁场中的霍尔器件产生的霍尔电压与两个电流的乘积IxIB成比例,因此可以利用霍尔效应制成乘法器。乘法器有许多用途,除进行乘法运算外,还可以用作调制器、除法器、功率计等。
    图4是利用霍尔器件测量几千安培以上的大电流的方法。图中1 是通过大电流导体的截面,2是两块磁性材料,在两个空气隙中放有霍尔器件3。用霍尔器件测量磁性材料中的磁感应强度。此法特别适用于测量大直流电流强度。
  用永久磁铁作为不消耗能源的“发射机”,用霍尔器件作为“接收机”。将它们分别粘在两个物体上,则可测量两个物体的相对位置。
  还可以利用霍尔效应制作旋转器、单向器和环行器。这类器件使信号沿单一方向传输,而不能沿相反的方向传输。
  制造霍尔器件的半导体材料主要是锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟等。一般用N型材料,因为电子迁移率比空穴的大得多,器件可以有较高的灵敏度。有的材料的禁带宽度很窄,工作的温度范围小。除了用整块半导体材料做霍尔器件外,还可以用薄膜制作霍尔器件。在绝缘衬底上淀积薄膜或用外延或离子注入等方法在高电阻率的半导体衬底上制造一层厚度为微米量级的薄膜。用离子注入或处延法制造的砷化镓霍尔器件在很宽的磁场强度范围内有很好的线性关系,并且能在很宽的温度范围内稳定地工作。用硅外延或离子注入方法制作的薄膜霍尔器件可以和集成电路工艺兼容。将霍尔器件和差分放大器及其他电路做在一个硅片上,可以缩小尺寸、提高灵敏度、减小失调电压,便于大量生产。
  在轿车电路上经常可以看到“霍尔”(Hall)这个名称,例如桑塔纳2000点火系统就有一只霍尔传感器,专门给发动机电控单元(ECU)提供电压信号。那么霍尔器件起到什么作用呢? 这里涉及一个“霍尔效应”的问题,霍尔效应在应用技术中特别重要。霍尔发现,如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(Iv),该磁场的方向垂直于所施加电压的方向,那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH),人们将这个电压叫做霍尔电压,产生这种现象被称为霍尔效应。根据霍尔效应做成的霍尔器件,就是以磁场为工作媒体,将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出,使之具备传感和开关的功能。 讫今为止,已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有:在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关,等等。 例如汽车点火系统,设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器,用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压,控制电控单元(ECU)的初级电流。相对于机械断电器而言,霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护,能够适应恶劣的工作环境,还能精确地控制点火正时,能够较大幅度提高发动机的性能,具有明显的优势。 用作汽车开关电路上的功率霍尔电路,具有抑制电磁干扰的作用。许多人都知道,轿车的自动化程度越高,微电子电路越多,就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件,尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流,使机械式开关触点产生电弧,产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。 霍尔器件通过检测磁场变化,转变为电信号输出,可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等,并可将这些变量进行二次变换;可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口,可实现自动检测。目前的霍尔器件都可承受一定的振动,可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作,全部密封不受水油污染,完全能够适应汽车的恶劣工作环境。