霍爾元件原理介紹及其應用

霍爾元件之作用原理也就是霍爾效應，所謂霍耳效應如圖1所示，系指將電流I 通至一物質，并對與電流成正角之方向施加磁場B 時，在電流與磁場兩者之直角方向所產生的電位差V 之現象。此電壓是在下列情況下所產生的，有磁場B 時，由于弗萊銘(Fleming)左手定則，使洛仁子力(即可使流過物質中之電子或正孔向箭頭符號所示之方向彎曲的力量：(Lorentz force)發生作用，而將電子或正孔擠向固定輸出端子之一面時所產生。電位差V 之大小通常決定于洛仁子力與藉所發生之電位差而將電
子或正孔推回之力(亦即前者之力等于后者之力)，而且與電流I 乘以磁場B 之積成比例。比例常數為決定于物質之霍耳常數除以物質在磁場方向之厚度所得之值。

圖1 霍爾組件之原理

在平板半導體介質中，電子移動（有電場）的方向，將因磁的作用（有磁場） ，而改變電子進的方向。電場與磁場互相垂直時，其傳導的載子（電子或電） ，將集中于平板的上下兩邊，因而形成電位差存在的現象。該電位差即霍爾電壓（霍爾電壓） 在實際的霍爾組件中，一般使用物質中之電流載子為電子的N 型半導體材料。將一定之輸入施加至霍爾組件時之輸出電壓，利用上述之關系予以分析時，可以獲致下列的結論：
(1) 材料性質與霍爾系數乘以電子移動度之積之平方根成正比。
(2) 材料之形狀與厚度之平方根之倒數成正比。
由于上述關系，實際的霍爾組件中，可將霍爾系數及電子移動度大的材料加工成薄的十字形予以制成。

圖2系表示3～5 端子之霍爾組件的使用方法，在三端子霍爾元件之輸出可以產生輸入端子電壓之大致一半與輸出信號電壓之和的電壓，而在四端子及五端子霍爾組件中，在原理上雖然可以免除輸入端子電壓的影響，但實際上即使在無磁場時，也有起因于組件形狀之不平衡等因素之不平衡電壓存在。

(a)3腳組件 (b)4腳組件 (c)5腳組件

圖2 霍爾組件使用方法

種類及接法

構造：

無鐵心型
鐵心型
測試用探針霍爾集成電路

接法：

三端子組件
四端子組件
五端子組件

用途
霍爾組件有下列三種用法：
(A) 事先使一定電流流過霍爾組件，用以檢出磁場或變換成磁場的其它物理量的方法。
(B) 利用組件的電流、磁場及作為其變量的該兩種量的乘法作用的方法。
(C) 利用非相反性(即在一定磁場中，使與輸入端子通以電流時所得的輸出同方向的電流流過輸出端子時，在輸入端子會產生與最初的電壓反方向的霍爾電壓的現象)的方法。上述各種使用方法的具體例參照前述磁電變換組件的用途的項所述。在這些具體例中，有不少在組件的靈敏度及溫度特性上，霍爾組件形成1 匝(Turn)的線圈有妨礙而難以符合實用。但利用霍爾探針測定磁場因屬于比較簡便的用法，已經定型，另外例如無電刷馬達(霍爾馬達)開關等也逐漸進入實用的階段，磁頭的制造也有人嘗試過。

霍爾元件供電

圖3 定電壓驅動之一