關于霍爾元件特性分析及參數的討論

江銘波，賀 華，徐國旺

（湖北工業大學理學院，湖北 武漢430068）

1 霍爾元件的結構和霍爾電壓

霍爾元件是根據霍爾效應制成的四端子磁電轉換元件.主要由霍爾芯片、四根引線和殼體組成.芯片是一塊用半導體晶體制成的矩形或十字形薄片，四根引線中有兩根為外加激勵電流或激勵電壓的輸入電極，稱為激勵電極或控制電極；另兩根是霍爾電壓輸出端引線，稱為霍爾電極.外殼一般由塑膠樹脂材料、非導磁材料或陶瓷材料制成，但有些外殼上帶有高導磁率材料制成的磁性物質貼片，為的是獲得較大的輸出電壓.

霍爾元件在垂直于芯片受磁平面的磁場B和控制電流I的作用下，產生霍爾電壓［1］

其中d是芯片厚度；RH為霍爾系數.但嚴格講，式（1）僅適于無限長的霍爾芯片，實際上芯片的長度是有限的，若芯片長為l，寬為b，長寬比之值常設在不同形狀的芯片，將導致電流電極和霍爾電極對霍爾電壓產生影響.因此實際產生的霍爾電壓應修正為［2］

設KH為比例系數，則

式中，KH稱為霍爾乘積靈敏度；為元件的形狀函數或元件的形狀效應系數.形狀效應系數之值隨元件的形狀而異.從實際情形來看，十字形元件的值受磁場的影響較小，為了得到較高的值，實際應用的霍爾元件大都采用十字形.元件的形狀系數修正值分別如表1［3］和圖1所示.

表1 形狀效應系數

圖1 霍爾元件形狀系數曲線

2 對霍爾元件幾個特性參數定義的討論

描述霍爾元件的特性參數較多，各廠家給出的參數不盡一致，對參數名稱的定義也不十分嚴謹.這無疑給研究、設計及使用者等帶來不便.依筆者拙見，提出如下幾點看法，以和廣大讀者討論.

2.1 額定控制電流、最大控制電流和額定功耗

由于霍爾材料本身特性以及使用時受到環境、溫升、散熱條件等的影響，其控制電流受到限制，其所限控制電流的大小如何確定，在文獻中，大約有3種表述：1）當霍爾元件自身溫升100C時所流過的控制電流，稱為額定控制電流Ic；當霍爾元件達到其允許的最高溫升時，流過霍爾元件的電流稱為最大控制電流Icm［4］.2）霍爾元件因電流而發熱，使在空氣中的霍爾元件產生允許溫升ΔT的控制電流稱為額定控制電流Icm，當I＞Icm時，器件溫升將大于允許的溫升，器件特性將變壞［5］.3）根據額定功耗P0定義額定控制電流：在環境溫度250C時，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積稱為霍爾元件的額定功耗P0，當供給霍爾元件的電壓確定后，根據額定功耗P0就可以確定額定控制電流［6］.

對霍爾元件，使用額定控制電流這一參數是完全必要的，在額定控制電流范圍內使用霍爾元件是安全的；而對于“最大允許控制電流”的概念，可以并入額定控制電流這一概念之中，并對額控制電流嚴格定義為：在環境溫度250C時，使霍爾元件產生允許溫升ΔT的控制度電流稱為額定控制電流，即

式中，b、d分別為霍爾元件寬度和厚度；ρ為元件工作區電阻率；as為元件的散熱系數.因此，額定控制電流Icm是與材質、元件大小、散熱條件及允許溫升ΔT有關的量.

額定功耗定義為：在環境溫度250C時，允許通過霍爾元件的額定控制電流Icm和電壓的乘積，用P0表示.

2.2 霍爾靈敏度KH和磁靈敏度KB

霍爾乘積靈敏度

簡稱為霍爾靈敏度或靈敏度，由霍爾片自身的材料結構和尺寸以及結構決定，是反映霍爾元件磁電變換大小的一個重要參數.一般要求KH越大越好，顯然d越小，KH越大.但元件厚度太薄，會使元件的輸入、輸出電阻增加，因此不宜太薄.此外KH與形狀系數有關.在霍爾片的材質和形狀尺寸以及結構決定后，KH就成為一個常數.在實際使用上，霍爾元件的使用手冊中經常是在輸入Ic＝1mA的控制電流，在垂直于感磁面方向施加0.1T的外磁場B條件下，給出其霍爾電極上產生的霍爾電壓值，以此種形式體現出霍爾元件的靈敏度，其單位為mV／（mA·T）.

磁靈敏度定義為：當控制電流為額定控制電流Icm時，單位磁感應強度產生的開路霍爾電動勢稱為磁靈敏度，用KB表示.是在當時，由于并根據式（5）計算出最大霍爾電壓

因而根據定義，求得

可見選用乘積μρ1／2和允許溫升ΔT大的半導體材料，就可以得到較大的磁靈敏度，N型砷化鎵霍爾元件的μ和ρ均較大，其磁靈敏度也大.

2.3 不平衡電勢U0和不平衡電阻r0

在額定控制電流Icm之下，不加磁場時，霍爾電極之間的空載霍爾電勢稱為不平衡電勢，或不等位電勢，用U0表示，單位為mV.不平衡電勢U0和額定控制電流之比稱為不平衡電阻，或不等位電阻，用r0表示.不平衡電勢U0是額定控制電流通過不平衡電阻r0產生的電壓降.不平衡電阻是由于元件輸出極焊接不對稱、厚薄不均勻以及兩個輸出極接觸不良等原因造成的.有的文獻對不等位電勢U0這樣定義：當控制電流I流過元件時，即使磁感應強度等于零，在霍爾電極上仍有電動勢存在，該電動勢稱為不等位電動勢U0.顯然這里的不等位電勢與前者不完全等同.有些產品提供不平衡電勢U0之值應為前者，有些產品提供不平衡電阻r0參數數值，則更為確切.

3 霍爾元件的零位誤差

在實際使用中，存在著各種影響霍爾元件精度的因素，即在霍爾電勢中存在著各種誤差電勢，產生這些誤差的因素主要有兩類，一類是半導體本身所固有的溫度特性；另一類是半導體制造工藝的缺陷.分別表現為溫度誤差和零位誤差.筆者僅分析零位誤差的物理機制.

3.1 零位誤差

零位誤差是在不加控制電流或不加外磁場時.出現的霍爾電勢.前述不平衡電勢是主要的零位誤差.不平衡電勢輸出，其數量級與霍爾電勢的數量級相當，因此對霍爾元件的不平衡電勢不能忽略.如果經過測試確知霍爾電極偏離等位面的方向，則可以采用機械修磨或用化學腐蝕的方法來減小不等位電勢.現在一般采用補償網絡進行補償.

3.2 寄生直流電勢

在沒有磁場下，元件通以交流控制電流，其輸出除了交流不等位電勢外，還有個直流電勢分量，此電勢稱為寄生直流電勢.產生寄生直流電勢的原因有兩個，一是由于電流控制極及霍爾電極的歐姆接觸不良，造成整流效應；二是由于霍爾電極的焊點大小不同，導致兩焊點的熱容量不同而產生溫差效應，造成直流附加電勢.

寄生直流電勢很容易導致輸出產生漂移，為減小其影響，在元件制作和安裝時應盡量改善電極的歐姆電阻接觸性能和元件的散熱條件.

3.3 感應零電勢Ui0

當沒有控制電流時，在交流或脈動磁場作用下產生的電勢稱為感應零電勢Ui0.它與霍爾電極引線構成的感應面積s成正比，如圖2a所示，根據電磁感應定律有

為了減小感應零電勢，可通過合理布線，使霍爾電極引線圍成感應面積s所產生的感應電勢互相抵消（圖2b）.

圖2 感應電勢及其補償

3.4 自激場零電勢

當霍爾電極通以控制電流時，此電流會產生磁場，這一磁場稱為自激場（圖3a）.由于元件的左右兩半場相等，故產生的電勢方向相反，而相互抵消.實際應用時多為圖3b所示的形狀.由于控制電流引線也產生磁場，使元件左右兩磁場強度不相等，因而有霍爾電勢輸出，這一輸出電勢稱為自激場零電勢.

圖3 自激場零電勢示意圖

要克服自激場零電勢的影響，只要在安裝過程中將控制電流予以合理安排.

［1］江銘波，閻旭東，徐國旺.霍爾效應及霍爾元件在物理檢測中的應用［J］.湖北工業大學學報 2011（2）：142－144.

［2］錢顯毅，唐國興.傳感器原理與檢測技術［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［3］王桂榮，李憲芝.傳感器原理及應用［M］.北京 電力出版社，2010.

［4］蘇 震.現代傳感技術［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［5］孟立凡，藍金輝.傳感器原理及應用［M］.北京：電子工業出版社，2008.

［6］劉愛華，滿寶元.傳感器原理與應用技術［M］.北京：人民郵電出版社，2010.