霍爾器件

　　利用霍爾效應的固態電子器件。E.H.霍爾於1879年發現：一塊矩形導體或半導體材料在磁感應強度為B_z的磁場中，在垂直於磁場的方向有電流I_x通過試件（圖1），在既垂直於磁場B_z>、又垂直於電流I_x的方向將產生電場E_y，這就是霍爾效應。這個電場在電極3和4之間產生電動勢U_H，稱為霍爾電動勢

U_H＝-R_HB_zI_x/d

式中I_x為從電極1到電極2的電流；d為試件厚度；R_H為比例系數（稱霍爾系數）。霍爾系數與試件中載流子濃度有關

式中n為試件中導電載流子濃度；q為電子的電荷。霍爾系數的符號決定於試件中載流子是帶正電荷或負電荷。

　　霍爾器件除矩形外，還有十字形、方形、四葉苜蓿葉形和其他更復雜的形狀(圖2)。形狀不同，試件中電勢分佈也不同。霍爾電極的焊點占一定面積，也影響電勢分佈。為此引進一個形狀因子K

U_H＝-KR_HI_xB_z/d

　　已知試件的尺寸、磁場強度和電流，測量霍爾電動勢即可求得試件的載流子濃度。載流子濃度是半導體材料的一個重要參量。在不同溫度下測量霍爾系數可以得到試件中載流子濃度和溫度的關系。這是瞭解半導體材料的基本性質的一個重要方法。在給定的電流強度下，產生的霍爾電動勢與磁場強度成正比。可以利用這一原理來測量磁場強度。

　　在圖1的電極1，2間加恒定電壓U_i，霍爾電動勢的表達式可變換成

U_H＝(U_iμB)(Kw/l)

式中 U_i為兩個電流電極之間的電壓；μ為試件中載流子遷移率；w和l分別為試件的寬度和長度。恒定電壓下電極3和4之間的電壓也與磁場強度成正比。

　　實際上，用霍爾器件測量磁場強度時，是用恒定電流法還是用恒定電壓法，要考慮多方面的因素，如磁場強度和霍爾電壓間的線性誤差、靈敏度的溫度系數、同樣工藝條件制造的器件的性能分散程度等。

　　用霍爾器件測量磁場強度的特點是：器件很小很扁（可以放在窄縫中），有很高的準確度、靈敏度和穩定性，還有很寬的工作溫度范圍。

　　如果磁場由電磁鐵產生（圖3），磁場強度與電流強度I_B成比例，在磁場中的霍爾器件產生的霍爾電壓與兩個電流的乘積I_xI_B成比例，因此可以利用霍爾效應制成乘法器。乘法器有許多用途，除進行乘法運算外，還可以用作調制器、除法器、功率計等。

　　圖4是利用霍爾器件測量幾千安培以上的大電流的方法。圖中1 是通過大電流導體的截面，2是兩塊磁性材料，在兩個空氣隙中放有霍爾器件3。用霍爾器件測量磁性材料中的磁感應強度。此法特別適用於測量大直流電流強度。

　　用永久磁鐵作為不消耗能源的“發射機”，用霍爾器件作為“接收機”。將它們分別粘在兩個物體上，則可測量兩個物體的相對位置。

　　還可以利用霍爾效應制作旋轉器、單向器和環行器。這類器件使信號沿單一方向傳輸，而不能沿相反的方向傳輸。

　　制造霍爾器件的半導體材料主要是鍺、矽、砷化鎵、砷化銦、銻化銦等。一般用N型材料，因為電子遷移率比空穴的大得多，器件可以有較高的靈敏度。有的材料的禁帶寬度很窄，工作的溫度范圍小。除瞭用整塊半導體材料做霍爾器件外，還可以用薄膜制作霍爾器件。在絕緣襯底上淀積薄膜或用外延或離子註入等方法在高電阻率的半導體襯底上制造一層厚度為微米量級的薄膜。用離子註入或處延法制造的砷化鎵霍爾器件在很寬的磁場強度范圍內有很好的線性關系，並且能在很寬的溫度范圍內穩定地工作。用矽外延或離子註入方法制作的薄膜霍爾器件可以和集成電路工藝相容。將霍爾器件和差分放大器及其他電路做在一個矽片上，可以縮小尺寸、提高靈敏度、減小失調電壓，便於大量生產。