霍爾元件原理介紹及其應用

霍爾元件之作用原理也就是霍爾效應，所謂霍耳效應如圖1所示，系指將電流I 通至一物質(zhì)，并對與電流成正角之方向施加磁場(chǎng)B 時(shí)，在電流與磁場(chǎng)兩者之直角方向所產(chǎn)生的電位差V 之現象。此電壓是在下列情況下所產(chǎn)生的，有磁場(chǎng)B 時(shí)，由于弗萊銘(Fleming)左手定則，使洛仁子力(即可使流過(guò)物質(zhì)中之電子或正孔向箭頭符號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(chǎng)B 之積成比例。比例常數為決定于物質(zhì)之霍耳常數除以物質(zhì)在磁場(chǎng)方向之厚度所得之值。

圖1 霍爾組件之原理

在平板半導體介質(zhì)中，電子移動(dòng)（有電場(chǎng)）的方向，將因磁的作用（有磁場(chǎng)） ，而改變電子進(jìn)的方向。電場(chǎng)與磁場(chǎng)互相垂直時(shí)，其傳導的載子（電子或電） ，將集中于平板的上下兩邊，因而形成電位差存在的現象。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)，可以獲致下列的結論：
(1) 材料性質(zhì)與霍爾系數乘以電子移動(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，可將霍爾系數及電子移動(dòng)度大的材料加工成薄的十字形予以制成。

圖2系表示3～5 端子之霍爾組件的使用方法，在三端子霍爾元件之輸出可以產(chǎn)生輸入端子電壓之大致一半與輸出信號電壓之和的電壓，而在四端子及五端子霍爾組件中，在原理上雖然可以免除輸入端子電壓的影響，但實(shí)際上即使在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，也有起因于組件形狀之不平衡等因素之不平衡電壓存在。

(a)3腳組件 (b)4腳組件 (c)5腳組件

圖2 霍爾組件使用方法

種類(lèi)及接法

構造：

無(wú)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

用途
霍爾組件有下列三種用法：
(A) 事先使一定電流流過(guò)霍爾組件，用以檢出磁場(chǎng)或變換成磁場(chǎng)的其它物理量的方法。
(B) 利用組件的電流、磁場(chǎng)及作為其變量的該兩種量的乘法作用的方法。
(C) 利用非相反性(即在一定磁場(chǎng)中，使與輸入端子通以電流時(shí)所得的輸出同方向的電流流過(guò)輸出端子時(shí)，在輸入端子會(huì )產(chǎn)生與最初的電壓反方向的霍爾電壓的現象)的方法。上述各種使用方法的具體例參照前述磁電變換組件的用途的項所述。在這些具體例中，有不少在組件的靈敏度及溫度特性上，霍爾組件形成1 匝(Turn)的線(xiàn)圈有妨礙而難以符合實(shí)用。但利用霍爾探針測定磁場(chǎng)因屬于比較簡(jiǎn)便的用法，已經(jīng)定型，另外例如無(wú)電刷馬達(霍爾馬達)開(kāi)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(guò)。

霍爾元件供電

圖3 定電壓驅動(dòng)之一