【正文】 VbH? (5)此時 B 端電位高于 A 端電位。若 N 型單晶中的電子濃度為 n，則流過樣片橫截面的電流河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文25 I=nebdV得 nebdV? (6)將(6)式代入(5)式得 IBKdRIBneHH?1 (7)式中 稱為霍爾系數(shù)，它表示材料產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的本領(lǐng)大?。籲edKH1?稱為霍爾元件的靈敏度，一般地說， HK愈大愈好，以便獲得較大的霍爾電壓 HV。因 K和載流子濃度 n 成反比，而半導(dǎo)體的載流子濃度遠比金屬的載流子濃度小，所以采用半導(dǎo)體材料作霍爾元件靈敏度較高。又因 和樣品厚度 d 成反比，所以霍爾片都切得很薄，一般d≈。上面討論的是 N 型半導(dǎo)體樣品產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)，B 側(cè)面電位比 A 側(cè)面高；對于 P 型半導(dǎo)體樣品，由于形成電流的載流子是帶正電荷的空穴，與 N 型半導(dǎo)體的情況相反，A 側(cè)面積累正電荷，B 側(cè)面積累負電荷，如圖 27（b）所示，此時，A 側(cè)面電位比 B 側(cè)面高。由此可知，根據(jù)A、B 兩端電位的高低，就可以判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型是 P 型還是N 型。由（7）式可知，如果霍爾元件的靈敏度 HR已知，測得了控制電流I 和產(chǎn)生的霍爾電壓 HV，則可測定霍爾元件所在處的磁感應(yīng)強度為： HIKB?。高斯計就是利用霍爾效應(yīng)來測定磁感應(yīng)強度 B 值的儀器。它是選定霍爾元件，即 HK已確定，保持控制電流 I 不變，則霍爾電壓 HV與被測磁感應(yīng)強度 B 成正比。如按照霍爾電壓的大小，預(yù)先在儀器面板上標定河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文26出高斯刻度，則使用時由指針示值就可直接讀出磁感應(yīng)強度 B 值。由（7）式知 IBdVRH?因此將待測的厚度為 d 的半導(dǎo)體樣品，放在均勻磁場中，通以控制電流 I，測出霍爾電壓 H，再用高斯計測出磁感應(yīng)強度 B 值，就可測定樣品的霍爾系數(shù) R。又因 ne1?（或 p） ，故可以通過測定霍爾系數(shù)來確定半導(dǎo)體材料的載流子濃度 n（或 p） （n 和 p 分別為電子濃度和空穴濃度） 。嚴格地說，在半導(dǎo)體中載流子的漂移運動速度并不完全相同，考慮到載流子速度的統(tǒng)計分布，并認為多數(shù)載流子的濃度與遷移率之積遠大于少數(shù)載流子的濃度與遷移率之積，可得半導(dǎo)體霍爾系數(shù)的公式中還應(yīng)引入一個霍爾因子 Hr，即 )(pernRH或?普通物理實驗中常用 N 型 Si、N 型 Ge、InSb 和 InAs 等半導(dǎo)體材料的霍爾元件在室溫下測量，霍爾因子 18.3???Hr，所以 neRH183??式中， ??e庫侖（2）霍爾效應(yīng)的副效應(yīng)上述推導(dǎo)是從理想情況出發(fā)的，實際情況要復(fù)雜得多，在產(chǎn)生霍爾電壓 HV的同時，還伴生有四種副效應(yīng)，副效應(yīng)產(chǎn)生的電壓疊加在霍爾電壓上，造成系統(tǒng)誤差。為便于說明，畫一簡圖如圖 28 所示。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文27xyzI1 2I43B圖 28 在磁場中的霍爾元件① 厄廷豪森（Eting hausen）效應(yīng)引起的電勢差 EV。由于電子實際上并非以同一速度 v 沿 X 軸負向運動，速度大的電子回轉(zhuǎn)半徑大，能較快地到達接點 3 的側(cè)面，從而導(dǎo)致 3 側(cè)面較4 側(cè)面集中較多能量高的電子，結(jié)果 4 側(cè)面出現(xiàn)溫差，產(chǎn)生溫差電動勢 E?？梢宰C明 IBE?。容易理解 EV的正負與 I 和 B 的方向有關(guān)。② 能斯特（Nernst）效應(yīng)引起的電勢差 N。焊點 2 間接觸電阻可能不同，通電發(fā)熱程度不同，故 2 兩點間溫度可能不同，于是引起熱擴散電流。與霍爾效應(yīng)類似，該熱流也會在 4 點間形成電勢差 NV。若只考慮接觸電阻的差異，則 NV的方向僅與 B 的方向有關(guān)。③ 里紀——勒杜克（Righi—Leduc）效應(yīng)產(chǎn)生的電勢差 RV。在能斯特效應(yīng)的熱擴散電流的載流子由于速度不同，一樣具有厄廷豪森效應(yīng)，又會在 4 點間形成溫差電動勢 R。 的正負僅與 B 的方向有關(guān)，而與 I 的方向無關(guān)。④不等電勢效應(yīng)引起的電勢差 0V。由于制造上困難及材料的不均勻性，4 兩點實際上不可能在同一條等勢線上。因此，即使未加磁場，當 I 流過時，4 兩點也會出現(xiàn)電勢差 0。 的正負只與電流方向 I 有關(guān)，而與 B 的方向無關(guān)。（3）霍爾效應(yīng)的應(yīng)用河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文281879 年，美國物理學家 Edwin Herbert Hall 發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，此后，霍爾技術(shù)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。進入 20 世紀 80年代，隨著電子元器件制造技術(shù)的發(fā)展，霍爾電流／電壓傳感器的39。眭能有很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流／電壓傳感器的研制成功，大大擴展了該產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。霍爾元件應(yīng)用十分廣泛大致可分為以下幾個方向。① 測量載流子濃度根據(jù)霍爾電壓產(chǎn)生的公式，以及在外加磁場中測量的霍爾電壓可以判斷傳導(dǎo)載流子的極性與濃度，這種方式被廣泛的利用于半導(dǎo)體中摻雜載體的性質(zhì)與濃度的測量上。只要測出霍爾電壓ＶＢＢ′，即可算出磁場Ｂ的大??；并且若知載流子類型ｎ型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為電子，Ｐ型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴，則由ＶＢＢ＇的正負可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。② 測量磁場強度霍爾效應(yīng)是霍爾器件的理論基礎(chǔ)。如圖 29 所示，當把通有小電流的半導(dǎo)體薄片置于磁場中時，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，該電勢差即為霍爾電壓 U，這個 U電壓與磁感應(yīng)強度 B 及控制電流 I 成正比，經(jīng)過理論推算得到如下等式關(guān)系： U=（RH/d）*B*I (1)式中，U 為霍爾電壓；B 為磁感應(yīng)強度；I 為控制電流；RH 為霍爾系數(shù)：d 為半導(dǎo)體片的厚度。在式(1)中：若保持控制電流 I 不變，在一定條件下?？赏ㄟ^測量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強度的大小，由此建立了磁場河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文29與電壓信號的聯(lián)系；根據(jù)這一關(guān)系式。人們研制了用于測量磁場的半導(dǎo)體器件即霍爾器件。圖 29③ 測量電流強度將圖 210 中霍爾器件的輸出（必要時可進行放大）送到經(jīng)校準的顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，測量結(jié)果的精度和線性度都較高。可測直流、交流和各種波形的電流。但它的測量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應(yīng)用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強度。電流增大后，磁芯可能達到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產(chǎn)生影響。當然，也可采取一些改進措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應(yīng)強度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進行檢測等等。這類霍爾電流傳感器的價格也相對便宜，使用非常方便，已得到極為廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外已有許多廠家生產(chǎn)。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文30圖 210閉環(huán)霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式)。眾所周知，當電流流過一根長的直導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小，即 I∝B∝U2 式中，I 為通過導(dǎo)線中的電流；B 為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度；U 為霍爾器件在磁場中產(chǎn)生的霍爾電壓。選擇適當?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可表示為等式。對于霍爾輸出電壓 U 的處理，人們設(shè)計了許多種電路，但總體來講可分為兩類：一類為開環(huán)(或稱直測式、直檢式)霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)(或稱零磁通式、磁平衡式)霍爾電流傳感器。④ 測量微小位移若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓ＶＨ值只由它在該磁場中的位移量Ｚ來決定。圖 211 示出３種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（ｂ）在Ｚ＜２ｍｍ時，ＶＨ與Ｚ有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達１μ ｍ，結(jié)構(gòu)（Ｃ）的靈敏度高，但工作距離較河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文31小。用霍爾元件測量位移的優(yōu)點很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。 以微位移檢測為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機械振動、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。圖 211 幾種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)和幾種霍爾位移傳感器的特性曲線⑤ 壓力傳感器霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖212 所示。在圖６中， （ａ）的彈性元件為膜盒， （ｂ）為彈簧片，（ｃ）為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場的復(fù)合系統(tǒng)，如圖６中的（ａ） 、 （ｂ） ，也可采用單一磁體，如（ｃ） 。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓ＶＨ。由事先校準的ｐ～ｆＶＨ雪曲線即可得到被測壓力ｐ的值。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文32圖 212 集中霍爾壓力傳感器構(gòu)成原理⑥ 霍爾加速度傳感器 圖 213 示出霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的Ｏ點上固定均質(zhì)彈簧片Ｓ，片Ｓ的中部Ｕ處裝一慣性塊Ｍ，片Ｓ的末端ｂ處固定測量位移的霍爾元件Ｈ，Ｈ的上下方裝上一對永磁體，它們同極性相對安裝。盒體固定在被測對象上，當它們與被測對象一起作垂直向上的加速運動時，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件Ｈ產(chǎn)生一個相對盒體的位移，產(chǎn)生霍爾電壓ＶＨ的變化?？蓮模郑扰c加速度的關(guān)系曲線上求得加速度。 圖 213 幾種加速傳感器的結(jié)構(gòu)及其靜態(tài)特性河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文33 人們在利用霍爾效應(yīng)開發(fā)的各種傳感器，磁羅盤、磁頭、電流傳感器、非接觸開關(guān)、接近開關(guān)、位置、角度、速度、加速度傳感器、壓力變送器、無刷直流電機以及各種函數(shù)發(fā)生器、運算器等，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)和信息處理各個方面。僅在汽車的電子系統(tǒng)中，使用霍爾ＩＣ的就有十幾處。如點火控制、發(fā)動機速度檢測、燃料噴射控制、底盤控制、門鎖控制以及方位導(dǎo)航控制等。除了己非常成熟的雙極型霍爾ＩＣ外，應(yīng)用ＣＭＯＳ和Ｓi ＣＭＯＳ技術(shù)的霍爾產(chǎn)品業(yè)已廣泛使用，ＭＯＳ霍爾ＩＣ的功耗更低，功能更強?；魻枺桑玫姆N類較多，大致可分為霍爾線性ＩＣ和霍爾開關(guān)ＩＣ。前者的輸出與磁場成正比，用于各種參量的測量：后者的輸出為高、低電平兩利，狀態(tài)，常用于無刷電機和汽車點火裝置中。此外，大功率的霍爾ＩＣ的應(yīng)用也非常廣泛，它將功率驅(qū)動級和各種保護電路集成到霍爾ＩＣ中，使得器件具有很強的驅(qū)動能力，它們可直接驅(qū)動無刷電動機，也常用在汽車中作開關(guān)器件。在實際使用中，經(jīng)常將霍爾集成電路，有時也用霍爾元件與永磁體、軟磁材料等封裝在一起，組成適用于特定應(yīng)用場合的霍爾傳感器組件。針對霍爾傳感器的電路形式，人們最容易想到的是將霍爾元件的輸出電壓用運算放大器直接放大，得到所需要的信號電壓，由此電壓值來標定原邊被測電流的大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開環(huán)霍爾電流傳感器。開環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點是電路形式簡單、成本相對較低；其缺點是精度和線性度較差，響應(yīng)時間較慢，溫度漂移較大。為克服開環(huán)傳感器的缺點，20 世紀 80 年代末期，國外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。 傳感器的工作原理是磁平衡式的。如圖 214 所示。即原邊電流(IN)所產(chǎn)生的磁場通過一個副邊線圈的電流(IM)所產(chǎn)生的磁場進行補償。使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當原副邊補償電流產(chǎn)生的磁場河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文34在磁芯中達到平衡時式(3)成立： N*IN =n*IM (3)式中：IN 為原邊電流；N 為原邊線圈的匝；IM 為副邊補償電流；n 為副邊線圈的匝數(shù)。圖 214由式(3)看出，當已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時，通過測量副邊補償電流 IM 的大小，即可推算匠邊電流 IN 的值，從而實現(xiàn)原邊電流的隔離測量。根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關(guān)的功能。 迄今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號傳感器、ABS 系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關(guān)，等等。 例如汽車點火系統(tǒng)，設(shè)計者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機械斷河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文35電器，用作點火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場在帶電的半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓，控制電控單元（ECU）的初級電流。相對于機械斷電器而言，霍爾式點火脈沖發(fā)生器無磨損免維護，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，還能精確地控制點火正時，能夠較大幅度提高發(fā)動機的性能，具有明顯的優(yōu)勢。 用作汽車開關(guān)電路上的功率霍爾電路，具有