52霍尔式传感器..doc

5.2 霍尔式传感器 霍尔传感器是半导体磁敏传感器的一种。半导体磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子及空穴的运动方向随磁场改变而改变这一特性制成的，按其结构可分为体型和结型两大类，霍尔传感器和磁敏电阻属于体型，磁敏二极管和磁敏三极管属于结型。 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应，但直到20世纪50年代，由于微电子学的发展，才被人们所重视和利用，开发了多种霍尔元件。我国从20世纪70年代开始研究霍尔器件，经30余年的研究和开发，目前已经能生产各种性能的霍尔元件，如普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的霍尔元件。 5.2.1 霍尔效应与霍尔元件材料 1 霍尔效应 一块长为、宽为、厚度为的半导体薄片，置于磁感应强度为的磁场中（方向），磁场方向垂直与薄片所在平面，如图5.2.1所示。当在它相对的两边通以控制电流（方向），磁场的方向与电流方向正交，则在垂直于电流和磁场方向的半导体另外两边上（方向），将产生电动势，其大小与控制电流和磁感应强度成正比，即，这种现象叫霍尔效应，其中为霍尔元件的灵敏度，该电势称为霍尔电势，该半导体薄片就是霍尔元件。 图5.2.1 霍尔效应原理图 霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场洛仑兹力作用而产生的。假设霍尔元件为型半导体，在其左右两端通以电流，称为控制电流。那么，半导体多子-电子，将沿着与电流相反的方向运动。由于外磁场的作用，使电子受到洛伦兹力的作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上，电子进行积累，而前端面缺少电阻，因此，后端面带负电，前端面带正电，在前后两端面间形成电场。电子在该电场中受到的电场力阻碍电子继续偏转，当与相等时，电子的积累和偏转达到动态平衡。这时，在半导体的前后两个端面间建立的电场叫霍尔电场，相应的电势就是霍尔电势。 若电子以速度按图5.2.1示方向运动，受到的洛伦兹力为 （5.2.1） 电子受到的电场力为 （5.2.2） 负号表示力的方向与电场方向相反。分别为半导体的长、宽、高。由于 （5.2.3） 则电子受到的电场力可表示为 （5.2.4） 当电子的偏转积累使得电子受到的力达到动态平衡时 （5.2.5） 将（5.2.1）式和（5.2.4）代入上式得到 （5.2.6） 半导体中的电流密度为（流过单位面积的电流强度） （5.2.7） 其中为型半导体中的电子浓度，即单位体积中的电子数，负号表示电流方向与电子运动方向相反。所以电流强度为 （5.2.8） 则 （5.2.9） 代入（5.2.6）式得到 （5.2.10） 其中叫为霍尔系数，由载流材料的性质决定；叫灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位控制电流的作用下，能输出霍尔电势的大小。 如果磁场与霍尔元件的法线有的夹角，则（5.2.10）改写成 （5.2.11） 金属材料中自由电子浓度很高，因此很小，使输出很小，不宜制作霍尔元件。霍尔式传感器中的霍尔元件都是用半导体材料制成。 如果是型半导体，其载流子是空穴，若空穴的浓度为，则同理可得霍尔电势 （5.2.12） 材料的电阻率与载流子的浓度（或）、载流子的迁移率（，即单位电场强度作用下载流子的平均速度）的关系为 或 （5.2.