霍爾元件的工作原理與應(yīng)用

霍爾元件是磁傳感器，其原理基于霍爾效應(yīng)，霍爾傳感器將磁場的變化轉(zhuǎn)換為電位差的變化。本文介紹霍爾元件的原理、結(jié)構(gòu)、使用方法和應(yīng)用電路等。

一、霍爾效應(yīng)

如圖1所示，霍爾效應(yīng)是指將電流I 通至一物質(zhì)，并對(duì)與電流成正角之方向施加磁場B 時(shí)，在電流與磁場兩者之直角方向所產(chǎn)生的電位差V 之現(xiàn)象。此電壓是在下列情況下所產(chǎn)生的，有磁場B 時(shí)，由于弗萊銘(Fleming)左手定則，使洛仁子力(即可使流過物質(zhì)中之電子或正孔向箭頭符號(hào)所示之方向彎曲的力量：(Lorentz force)發(fā)生作用，而將電子或正孔擠向固定輸出端子之一面時(shí)所產(chǎn)生。

電位差V 之大小通常決定于洛仁子力與藉所發(fā)生之電位差而將電子或正孔推回之力(亦即前者之力等于后者之力)，而且與電流I 乘以磁場B 之積成比例。比例常數(shù)為決定于物質(zhì)之霍爾常數(shù)除以物質(zhì)在磁場方向之厚度所得之值。
在平板半導(dǎo)體介質(zhì)中，電子移動(dòng)（有電場）的方向，將因磁力的作用（有磁場） ，而改變電子行進(jìn)的方向。若電場與磁場互相垂直時(shí)，其傳導(dǎo)的載子（電子或電洞） ，將集中于平板的上下兩邊，因而形成電位差存在的現(xiàn)象。該電位差即霍爾電壓（霍爾電壓）在實(shí)際的霍爾組件中，一般使用物質(zhì)中之電流載子為電子的N 型半導(dǎo)體材料。將一定之輸入施加至霍爾組件時(shí)之輸出電壓，利用上述之關(guān)系予以分析時(shí)，可以獲致下列的結(jié)論：
(1) 材料性質(zhì)與霍爾系數(shù)乘以電子移動(dòng)度之積之平方根成正比。
(2) 材料之形狀與厚度之平方根之倒數(shù)成正比。
由于上述關(guān)系，實(shí)際的霍爾組件中，可將霍爾系數(shù)及電子移動(dòng)度大的材料加工成薄的十字形予以制成。

二、種類及接法
構(gòu)造：
無鐵心型
鐵心型
測試用探針霍爾集成電路
接法：
三端子組件
四端子組件
五端子組件
霍爾元件供電：

三、應(yīng)用
組件有下列三種用法
(A) 事先使一定電流流過霍爾組件，用以檢出磁場或變換成磁場之其它物理量之方法。
(B) 利用組件之電流、磁場及作為其變量之該兩種量的乘法作用之方法。
(C) 利用非相反性(即在一定磁場中，使與輸入端子通以電流時(shí)所得之輸出同方向之電流流過輸出端子時(shí)，在輸入端子會(huì)產(chǎn)生與最初之電壓反方向之霍爾電壓的現(xiàn)象)之方法。
上述各種使用方法之具體例參照前述磁電變換組件之用途之項(xiàng)所述。在這些具體例中，有不少在組件之靈敏度及溫度特性上，霍爾組件形成1 匝(Turn)之線圈有妨礙而難以符合實(shí)用。但利用霍爾探針測定磁場因?qū)儆诒容^簡便的用法，已經(jīng)定型，另外例如無電刷馬達(dá)(霍爾馬達(dá))開關(guān)等也逐漸進(jìn)入實(shí)用的階段，磁頭的制造也有人嘗試過。