霍尔效应器件：结构、电路与应用

1.结构与工作原理

一块长为l、宽为d 的半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应，也是霍尔电势的产生原理。利用霍尔效应产生霍尔电势的器件称为霍尔器件，霍尔器件的结构示意图、典型电路符号与实物器件如图8-1 所示。

如图8-1(a)所示，在长度方向l 两个端面上制作欧姆接触点(非整流接触)，作为控制电流I 的电流电极，在宽度方向w 的两个端面中点制作很小的欧姆接触点，作为引出和测量霍尔电势的电压电极，称为霍尔电极。

深入分析表明：霍尔效应器件的厚度d 越小，则霍尔电势UH 越大，器件越灵敏。利用砷化镓外延层或硅外延层为工作层的霍尔器件，d 可以薄到几微米( l 和w 尺寸几十微米)。利用外延层还有利于霍尔器件与配套电路集成在一块芯片上。外延层电阻率越高( n 越小)，器件越灵敏。载流子电子的迁移率越高，器件越灵敏，砷化镓霍尔器件的灵敏度高于硅霍尔器件的灵敏度。霍尔电极位于l/2 处，是因为此处的UH 最大。霍尔效应器件除了矩形结构以外，还有方形结构和对称十字形结构，这两种结构的电流电极和霍尔电极可以互换使用。

2.主要特性参数

1)不等位电势和不等位电阻

霍尔器件在额定控制电流作用下，无外磁场时两个霍尔电极之间的开路电势差称为不等位电势U0 ；无外磁场时霍尔电势UH 应该为零，但工艺制备时两个霍尔电极的位置很难精确对准，导致两个电极并不在同一等电位面上，产生电位差U0 ，这并不是磁场产生的霍尔电势。在有外磁场条件下不等位电势将叠加在霍尔电势UH 上，使UH 的示值出现误差。因此不等位电势U0 越小越好，一般U0 ＜1 mV。U0 的极性与控制电流方向有关。(www.xing528.com)

图8-1 霍尔器件

(a)结构示意图；(b)典型电路；(c)外形；(d)结构；(e)符号

不等位电阻r0 是两个霍尔电极之间沿控制电流方向的电阻，定义式为r0 = U0/Icm ，r0 越小越好。

2)寄生直流电势

不加外磁场时霍尔器件通交流控制电流，这时器件输出端除了交流不等位电势以外，存在的直流电势称为寄生直流电势UOD 。

交流不等位电势的产生原因与直流不等位电势相同，主要原因是器件本身的四个电极没有形成欧姆接触点，存在整流效应。