霍耳器件

利用霍耳效应的固态电子器件

霍耳器件，利用霍耳效应的固态电子器件。

解释

霍耳效应是一块矩形导体或半导体材料在磁感应强度值为B的磁场中，在垂直于磁场的方向有电流I通过时，运动电荷受磁场中洛伦兹力的作用，在既垂直于磁场又垂直于电流的方向将产生电场E。其霍耳电动势为：VH=RH BI/d式中d为试件厚度；RH为比例系数（称霍耳系数）。

霍耳系数与试件中载流子浓度有关，即：式中n为试件中导电载流子浓度；q为电子的电荷。霍耳系数的符号决定于载流子是带正电荷还是负电荷。

霍耳器件的灵敏度为VH/d。霍耳电动势正比于电流I和磁感应强度B。霍耳元件的灵敏度只对应于单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍耳电压的大小，与材料的性质和几何尺寸有关。半导体(尤其是N型半导体)的霍耳系数要比金属的大得多，元件的厚度d对灵敏度的影响也很大，元件越薄，灵敏度就越高。当电流的方向或磁场方向改变时，输出电势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电动势极性不变。霍耳效应建立的时间很短，用交流控制时工作频率可以很高。

霍耳器件除矩形外，还有十字形、方形、四叶苜蓿叶形和其他更复杂的形状。形状不同，器件中霍耳电动势分布也不同。由于霍耳器件基片的载流子迁移率μ、电阻率ρ和霍耳常数RH等均是温度的函数，因此当工作温度变化时，它的一些特性参数如霍耳电动势VH、输入电阻Ri和输出电阻Ro等都要发生相应的变化，使霍耳传感器产生温度误差。补偿霍耳元件温度误差的方法很多，如选用温度系数小的霍耳器件，采用适当的补偿电路等。制造霍耳器件的半导体材料主要是Ge、Si、Ga、As、InAs、InSb等。一般用电子迁移率比空穴的大得多的N型材料，器件可有较高的灵敏度。有的材料的禁带宽度很窄，工作的温度范围小。除用整块半导体材料制作霍耳器件外，还可用薄膜制作霍耳器件。

在绝缘衬底上淀积薄膜或用外延或离子注入等方法在高电阻率的半导体衬底上制造一层厚度为微米量级的薄膜。用离子注入或外延法制造的砷化镓霍耳器件在很宽的磁场强度范围内有很好的线性关系，并且能在很宽的温度范围内稳定地工作。用硅外延或离子注入方法制作的薄膜霍耳器件可和集成电路工艺相容。将霍耳器件和差分放大器及其他电路做在一个硅片上，可以缩小尺寸、提高灵敏度、减小失调电压，便于大量生产。霍耳器件结构简单、体积小、无触点、频带宽、寿命长，因而得到广泛的应用。

如在电磁测量（磁感应强度、有功功率、无功功率、相位和电能等）中，在某些情况下必须用霍耳元件。此外，霍耳器件还常用于制成乘、除、平方、开方等电路，用于自动检测与控制中；作为无触发信号装置用于自动控制与保护中；作为信息的读出与识别用于记录仪器和计算装置中；作为环形器、回转器用于无线电工程和雷达技术等方面。

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