霍尔元件的种类和原理

#03 霍尔元件的种类和原理

霍尔元件是应用 霍尔效应的半导体元件, 当施加一个外磁场 (B) 时输出与磁场成比例的输出电压 (VH)。
图1a中2, 4端子的电势差, 图1b中展示的霍尔元件输出。

图1a 霍尔元件的原理图 图1a 霍尔元件的原理图
图1b 霍尔元件的输出电压特性 图1b 霍尔元件的输出电压特性

驱动方式

霍尔元件分为 定电流驱动 和 定电压驱动 俩种驱动方式。根据不同的驱动方式, 其温度特性也有差异。

定电流驱动

向端子1.3输入一定的电流 (IC) 时, 端子2.4的输出电压可以用下式表示。   
  VH = RH・(1 / d)・IC・B
此处, RH为霍尔系数, d是垂直于端子面方向的半导体薄膜的厚度。
RH可以用电子电荷量e和 电子浓度n来定义。
  RH = 1 / (e・n)
定电流驱动下的输出电压温度特性取决于RH的温度特性。

定电压驱动

向端子1.3输入一定的电压 (VC) 时, 端子2.4的输出电压可以用下式表示。
  VH = μH・ (W / L) ・VC・B
此处, μH为电子移动度, W, L是端子面2, 4方向, 1, 3方向的长度。定电压驱动下的输出电压温度特性取决于μH的温度特性。

图2 定电流驱动/定电压驱动下的VH温度特性 (例:超高灵敏度霍尔元件) 图2 定电流驱动/定电压驱动下的VH温度特性 (例:超高灵敏度霍尔元件)

不平衡电压

即使霍尔元件在无外磁场印加时也会产生一个输出电压, 这被称为偏置电压 (不平衡定压)。

此不平衡电压是在制造过程中无意识情况下产生的, 并且持有温度特性。
霍尔元件的偏移成分可以用如图3a所示的4个电阻值桥连电路表示。

这四个电阻值全部相等时, 为偏移0的情况。 此外, 如果存在偏移, 输出电压特性将如图3b所示移动。

图3a 霍尔元件的等效电路 图3a 霍尔元件的等效电路
图3b 存在偏置时的输出电压特性 图3b 存在偏置时的输出电压特性

霍尔元件的种类

AKM提供半导体薄膜材料不同的三种类型的霍尔元件 (超灵敏霍尔元件, 高灵敏度霍尔元件, 低漂移霍尔元件)。 霍尔元素的材料分别为锑化铟 (InSb), 砷化铟 (InAs), 和砷化镓 (GaAs)。 目前主要用作霍尔元件的半导体材料是这三种类型。(表1)

硅 (Si) 是霍尔元件的代表性材料之一,  但由于其灵敏度低不被用作霍尔元件, 而是用在霍尔IC。 霍尔元件的灵敏度与半导体材料的迁移率成比例。 温度特性受各种因素影响, 但主要取决于带隙的大小。
由于霍尔元件的材料不同其输出电压的温度特性和灵敏度也有所不同, 因此根据用途分开使用。特征如下。

表1 半导体材料 表1 半导体材料

特征

・InSb:是3种霍尔元件中灵敏度最高的霍尔元件。
・GaAs:是3种霍尔元件中温度特性最稳定的霍尔元件。
・InAs:是3种霍尔元件中灵敏度和温度特性都很均衡的霍尔元件。

图4 展示了在相同控制电流 (Ic=5 mA) 下, 以恒定电流驱动3种霍尔元件时的输出电压特性, 

图5 展示了在相同控制电压 (Vc=1 V) 下, 以恒定电压驱动3种霍尔元件时的输出电压特性。

图4 定电流驱动时的输出电压 (Ic=5mA) 图4 定电流驱动时的输出电压 (Ic=5mA)
图5 定电压驱动时的输出电压 (Vc=1V) 图5 定电压驱动时的输出电压 (Vc=1V)