第八章 霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的特 性及其在检测技术中的应用，还 涉及磁场测量技术。 霍尔元件是 种四端元件 2024/5/16
2024/5/16 1 第八章 霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的特 性及其在检测技术中的应用，还 涉及磁场测量技术。 霍尔元件是 一种四端元件
第一节 霍尔元件的结构及工作原理 霍尔效应：半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场 中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势E° d)
第一节 霍尔元件的结构及工作原理 霍尔效应:半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场 中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH
影响霍尔电动势的因素 流入激励电流端(a、b)的电流Iab越大，电子 和空穴积累得就越多，霍尔电动势也就越高。 作用在薄片上的磁感应强度B越强，电子受到的 洛仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高。 薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素 对霍尔电动势也有很大的影响。设半导体薄片的 厚度为δ，霍尔元件中的电子浓度为，电子的电 荷量为，则霍尔电动势E可用下式表示： neδ
影响霍尔电动势的因素 ◼ 流入激励电流端（a、b）的电流Iab越大，电子 和空穴积累得就越多，霍尔电动势也就越高。 ◼ 作用在薄片上的磁感应强度B越强，电子受到的 洛仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高。 ◼ 薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素 对霍尔电动势也有很大的影响。设半导体薄片的 厚度为δ，霍尔元件中的电子浓度为n，电子的电 荷量为e，则霍尔电动势EH可用下式表示： H IB E ne =
霍尔元件电动势与灵敏度 IB neδ 式中的n、e、δ在薄片的尺寸、材料确定 后均为常数，可令K=l/(ne),则上式可简 化为： EH=KHIB 式中：K—霍尔元件的灵敏度。 (1)由于金属材料中的电子浓度n很大， 所以灵敏度K非常小。而半导体材料中的 电子浓度较小，所以灵敏度比较高。 (2)导电薄膜越薄，灵敏度就越高
霍尔元件电动势与灵敏度 式中的n、e、δ在薄片的尺寸、材料确定 后均为常数，可令KH =1/(neδ)，则上式可简 化为： EH =KH IB 式中： KH——霍尔元件的灵敏度。 （1）由于金属材料中的电子浓度n很大， 所以灵敏度KH非常小。而半导体材料中的 电子浓度较小，所以灵敏度比较高。 （2）导电薄膜越薄，灵敏度就越高 H IB E ne =
霍尔传感器工作原理分析 B=0 a EH-0 磁感应强度B为零时的情况 2024/5/16 5
2024/5/16 5 霍尔传感器工作原理分析 磁感应强度B为零时的情况 c d a b
磁感应强度B较大时的情况 B ++十++++十+++++++ m 202415/16 6
2024/5/16 6 磁感应强度B 较大时的情况
霍尔效应演示 机械工业出版社 http://www.cmpbook.com 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的 作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端 面之间建立起霍尔电势。 2024/5/16
2024/5/16 7 霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的 作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端 面之间建立起霍尔电势。 c d a b
磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度不垂直于霍尔元件，而是与其法 线成某一角度θ时，实际上作用于霍尔元件上的有效 磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分 量，即Bcos0,这时的霍尔电势为 EIBcos日 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正 比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改 变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同 频率的交变电势。 202415/16
2024/5/16 8 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法 线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效 磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分 量，即Bcos，这时的霍尔电势为 E H =KH IBcos 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正 比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改 变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同 频率的交变电势
霍尔元件的主要外特性参数 最大磁感应强度BM 6 =9V 4 t=p5℃ RL10kQ -0.15 -0.10-0.05 0 0.05 0.10 0.15 B/T 线性区 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少 20245/16 高斯至正的多少高斯？(1T=104Gs) 9
2024/5/16 9 霍尔元件的主要外特性参数 最大磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少 高斯至正的多少高斯？ （1T＝104Gs） 线性区
最大激励电流IM 由于霍尔电势随激励电流增大而增大， 故在应用中总希望选用较大的激励电流。但 激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件 的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大， 因此每种型号的元件均规定了相应的最大激 励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ 5μA 0.1mA 2mA 80mA 2024/15/16 10
2024/5/16 10 最大激励电流IM : 由于霍尔电势随激励电流增大而增大， 故在应用中总希望选用较大的激励电流。但 激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件 的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大， 因此每种型号的元件均规定了相应的最大激 励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ 5μA 0.1mA 2mA 80mA