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ホール素子の原理と種類

磁気センサー基礎知識 #03

技術解説

ホール素子の原理と種類 

ホール素子とは、ホール効果 を利用し、磁場 (B) に比例した電圧 (VH) を出力する素子です。図1aの端子2、4の差動出力が、図1bに示すホール素子の出力です。

図1a. ホール素子の原理図
図1b. ホール素子の出力電圧特性

駆動方式

ホール素子には、「定電流駆動」と「定電圧駆動」の二つの駆動方式があります。どちらで駆動するかにより、温度特性のパラメータが異なります。

◆ 定電流駆動

端子1、3に一定の電流 (IC) を入力した場合、端子2、4に出力される電圧は、次の式で表すことができま

   VH = RH・(1 / d)・IC・B

ここで、RHはホール係数、dは端子面に垂直方向の半導体膜の厚さです。RHは、電子の電荷eとキャリア濃度nを用いて以下の様に定義されます。

   RH = 1 / (e・n)

 定電流駆動の出力電圧の温度特性は、このRHの温度特性で決まります。

◆ 定電圧駆動

端子1、3に一定の電圧 (VC) を入力した場合、端子2、4に出力される電圧は、次の式で表すことができます。

   VH = μH・ (W / L) ・VC・B

ここで、μHは電子移動度、W、Lは端子面の2、4方向、1、3方向の長さです。定電圧駆動の出力電圧の温度特性は、このμHの温度特性で決まります。

図2. 定電流駆動・定電圧駆動のVHの温度特性 (例:超高感度ホール素子、B=50mTの時)

オフセット電圧 (不平衡電圧) 

ホール素子には、磁場が印加されていなくても出力電圧が発生する場合があり、これをオフセット電圧 (不平衡電圧) といいます。このオフセット電圧は、製造時の意図しないばらつきなどによって発生し、温度特性もあります。

ホール素子のオフセット成分は、図3aの様な4つの抵抗値のブリッジ回路で表すことができます。この4つの抵抗値が全て等しい場合が、オフセット 0 の場合です。また、オフセットがあると、出力電圧特性は図3bの様にシフトした形になります。 

図3a. ホール素子の等価回路図
図3b. オフセットがある場合の出力電圧特性

ホール素子の種類

AKMは、半導体膜材料の異なる3種類のホール素子 (超高感度ホール素子、高感度ホール素子、低ドリフトホール素子) を提供しています。それぞれのホール素子の材料はインジウムアンチモン(InSb)、インジウムヒ素(InAs)、ガリウムヒ素(GaAs)です。ホール素子として現在主に使われている半導体材料はこの3種類になります。(表1)

表1. 半導体材料

シリコン (Si) も代表的なホール素子材料の一つですが、感度が小さいためホール素子としては使用されておらず、ホールICとして使用されています。ホール素子の感度は半導体材料の移動度に比例します。温度特性は様々な要因が影響しますが、主にはバンドギャップの大小関係で決まります。ホール素子の材料によって出力電圧の温度特性や感度が異なるため、用途によって使い分けます。特徴は以下のようになります。

◆ 特徴 

・InSb:3つのホール素子の中で最も感度が高いホール素子です。

・GaAs:3つのホール素子の中で最も温度特性が安定したホール素子です。

・InAs:3つのホール素子の中で、感度も温度特性もバランスの取れたホール素子です。

図4. 定電流駆動時の出力電圧(Ic=5mA、B=50mTの時)
図5. 定電圧駆動時の出力電圧(Vc=1V、B=50mTの時)

図4は、3種類のホール素子を同じコントロール電流 (Ic=5mA) で定電流駆動した際の出力電圧特性、

図5は、3種類のホール素子を同じコントロール電圧 (Vc=1V) で定電圧駆動した際の出力電圧特性です。