【电子元件】常用电子元器件的识别之霍尔元件

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霍尔元器件与其他半导体元器件的特性不同，它的电流、电压性能对磁场特别敏感，在检测磁场方面具有独特的作用。因此霍尔元件得到了广泛应用。

1. 霍尔元件的结构与特点

1.1 霍尔元件的组成结构

1.2 霍尔元件的霍尔效应

霍尔元件的显著特点是具有霍尔效应，随着科学技术的不断发展，人们对半导体进行过多种实验研究。

从中发现，当把半导体薄片放在磁场中，让磁场和薄片平面垂直，在半导体薄片对应两侧通以电流时，就能在另外两侧产生电势。这一特性可用下图说明。

将半导体薄片置于磁场B中，并在电极①、电极②加上电源E，半导体薄片中就导通电流Ig，然后在与电流方向垂直又和磁场方向垂直的电极③、电极④上检测电压，可看到表针摆动，这表明电极③、电极④间有电势 EH产生。这个物理现象称为霍尔效应，产生的 EH称为霍尔电势。

霍尔效应不仅半导体材料有，金属材料也有，但半导体材料比金属材料中的霍尔效应显著一些，所以就用半导体材料来制作具有这一特性的器件，称为霍尔元件。

2. 霍尔元件的图形符号与型号

2.1 1.图形符号

2.2 2.型号说明

随着电子工业的飞速发展，我国已生产了多种性能和用途不同的霍尔元件。

例如，“HZ–2”型霍尔元件中，第一部分“H”表示“霍尔元件”。第二部分“Z”表示材料是“锗”型半导体，取“锗”字第一个汉语拼音字母。第三部分“2”是“HZ”系列霍尔元件的细分种类，表示同一系列、不同种类霍尔元件的参数有区别。

3. 半导体霍尔效应的原理

3.1 半导体中的左手定则

3.2 P型半导体霍尔效应的原理

当P型半导体薄片放入磁场中，并在电极①、电极②加①端正②端负的电源电压，电极①、电极②便产生图7-5中所示方向的电流 Ig。P型半导体中导电质点是带正电荷的空穴，它的运动方向 S 与电流 Ig的方向相同，由电极①向电极②。根据左手定则可知，空穴受磁场力作用的方向是指向电极③的，空穴便向电极③运动，结果使电极③那边的空穴密度增大，电极④那边的空穴密度减小。这样，在电极③、电极④两端就形成了电位差，产生了电极④负、电极③正的电势 EH，就是霍尔电势。这就是P型半导体产生霍尔效应的原理。

霍尔电势 EH产生后，也对空穴产生作用力，力的方向是由电极③指向电极④。这一作用力将阻止空穴进一步向电极③运动。这样，空穴便受电势和磁场两个相反方向力的作用，当电极③的空穴累积到一定程度后，受到的两种作用力正好相等，达到稳定平衡状态，电极③的空穴密度不再增加，于是就在电极③、电极④两端形成大小不变的霍尔电势EH。

3.3 N型半导体霍尔效应的原理

如果所示磁场中是N型半导体薄片，在电极①、电极②加图中所示方向的电源电压后，电极①为正，电极②为负，便产生由电极①流向电极②的电流Ig，这样图7-2就可画为图：

由于N型半导体中导电质点是带负电荷的电子，电子运动方向 S与电流 Ig方向相反，是由电极②向电极①。根据左手定则，电子受磁场力作用方向是指向电极③，电子便大量向电极③那边运动，使电极③的电子密度增大，电极④的电子密度减小，即电极④那边空穴密度增大。于是电极③、电极④两端就形成了电位差，产生电极③负、电极④正的霍尔电势EH，如上图所示。这就是N型半导体产生霍尔效应的原理。

N型半导体产生电势 EH 后，又对电子产生一个作用力，方向是由电极③指向电极④（图中未画出这一方向），将阻止电子进一步向电极③运动。这样，电子就同时受到电势和磁场两个相反方向力的作用。因此，当电极③端的电子累积到一定数量后，就使两种作用力相等，达到稳定平衡状态，电极③端的电子密度就不再增加，于是电极③、电极④两端之间就形成一个大小不变的霍尔电势EH。

由上述可见，在磁场 B 和电流 Ig方向不变的情况下，N型半导体正好与P型半导体产生霍尔电势EH的方向相反。在半导体技术中，可根据这一特点来判断半导体材料是N型还是P型。

4. 霍尔元件的电势计算与工作条件

4.1 1.霍尔电势大小的计算

实验证明，霍尔电势EH的大小与电流Ig及磁场强度B成正比，即

EH=0.1KIgB

式中，K为霍尔常数或霍尔系数，大小与温度、半导体材料特性、尺寸等有关。

霍尔元件制成之后，再综合这些因素，霍尔常数K就为一个确定值，可从“半导体手册”中查出。Ig为两个控制极（电极①、电极②）导通的电流，单位为mA。B 为霍尔元件的磁感应强度，单位为mT[插图]。EH为霍尔元件产生的电势，单位为mV。

由上式可知，如果改变控制电流Ig或磁场强度B，或两者同时改变，就可改变霍尔电势EH。利用这些特性，可将霍尔元件应用在自动检测，自动控制等方面。

2.霍尔元件的工作条件

经上述分析，可初步了解霍尔元件的作用原理。

通俗地讲，霍尔元件在工作中必须符合两个条件：

❶ 必须在两个控制极加一定的电压，以产生一定的控制极电流；

❷ 霍尔元件的半导体薄片必须感应到磁场。

只有两个条件同时具备，霍尔元件才能产生和输出霍尔电势。两个条件缺一不可，否则霍尔元件就无霍尔电势输出。

5. 霍尔元件的参数

5.1 电阻参数

5.1.1 控制电流极内阻

霍尔元件控制极内阻，是指霍尔元件电极①、电极②之间的直流电阻值，常用 RI 表示，单位为Ω。这一参数与霍尔元件管芯的半导体几何尺寸有关，电极①、电极②的距离越小，RI就越大，反则，则RI越小；半导体薄片越薄，RI值越大，反则，则RI越小。

5.1.2 霍尔电势极内阻

霍尔元件电势极内阻，是指霍尔元件电极③、电极④之间的直流电阻，常用 RV表示，单位为Ω。这一参数也与霍尔元件管芯的半导体几何尺寸有关，电极③、电极④间的距离越长，RV越大，反之则越小；电极①、电极②间的距离越长，RV就越小，反之则越大；半导体薄片越薄，RV越大，反之则越小。霍尔元件芯片尺寸确定后，电势极内阻 RV就确定了。从表7-1中可以看出，每种霍尔元件的电势极内阻RV各具有一定数值。

从电势极内阻RV和控制极内阻RI的意义可知，这两项参数可以测量，如果测得的结果与表7-1中对应的参数值差异较大，就表明霍尔元件质量有问题，也可以说霍尔元件变质了或已经损坏了。可见，有了这两项参数，就能判断霍尔元件的好坏。

5.1.3 不等位电阻

霍尔元件的不等位电阻是霍尔元件的一种加工参数，常用 Ro 表示，单位为 Ω。这项参数与霍尔元件的材料纯度有关，与制造管子的加工精度有关，是指元件芯片中不同区域电阻的差异。一般在现代技术与设备下生产的霍尔元件，其不等位电阻参数Ro值都很小。

5.2 温度参数

5.2.1 霍尔电势温度系数

半导体元件都有共同的特性，就是工作时，电参数会随环境温度变化而改变。例如，温度变化时，管子极间电阻、导通电流会发生变化。霍尔元件的霍尔电势温度系数，是指温度每变化1℃所引起的霍尔电势的变化量，通常用霍尔电势温度系数αH来表示，单位为1/℃。实际中，这项参数是用百分数来表达的，即环境温度每变化1℃时，霍尔电势变化量与变化前总霍尔电势之比的百分数。

5.2.2 内阻温度系数

内阻温度系数的意义与霍尔电势温度系数的意义基本相似，都属温度引起参数变化，只不过是温度影响内阻变化。霍尔元件的内阻温度系数，常用βH表示，单位为1/℃。

内阻温度系数就是霍尔元件工作时，温度每变化1℃，内阻变化量占变化前总内阻的百分比。管子型号不同，内阻温度系数 βH一般不相同。不仅如此，内阻温度系数还有正负之分，如HZ–1型霍尔元件的内阻温度系数βH=0.5%，是正的；而HT–1型霍尔元件的内阻温度系数 βH=−0.5%，是负的。因此在实际中可根据内阻温度系数 βH，结合环境温度，正确选用内阻温度系数大小、正负都合适的霍尔元件。

5.2.3 3.工作温度

工作温度是任何半导体管都有的一项参数，对霍尔元件，是指工作的温度范围，超过这一范围，管子各项参数将会发生变化，甚至会被烧毁。所以，选用霍尔元件时一定要考虑环境温度，按工作温度参数应用。

5.3 其他参数

5.3.1 灵敏度

从前面的学习知道，霍尔元件产生的霍尔电势 EH，与控制极电流 Ig成正比，与它感应的磁场强度 B 成正比。霍尔元件导通多大电流、感应多大磁场、能够产生多大的霍尔电势，常用灵敏度这一参数来表达。灵敏度是指两个控制极导通1mA电流，并感应100mT磁场时，所产生的霍尔电势的值。不难理解，如果产生的霍尔电势 EH较大，则霍尔元件的灵敏度就高；产生的霍尔电势值EH就小，灵敏度就低。

5.3.2 最大工作电流

最大工作电流是指霍尔元件在工作中，控制电流极①、②两端之间能够导通的最大电流值，常用 IM表示，单位为mA。霍尔元件在应用中如果超过了最大工作电流参数值 IM，管子就会被损坏。这与其他半导体管最大电流参数的意义基本相同。

6. 霍尔开关的原理与应用

6.1 霍尔开关的实际应用

6.1.1 转速测量

下图是一个用霍尔开关组装成的转速测量器，永久磁铁可安装在自行车钢圈上，霍尔开关可固定在不转动的轴架上，并将霍尔开关的三根电极线接至计数器。适当调整霍尔开关磁感应面与永久磁铁的距离，就可对转动物体进行转速测量。

霍尔开关需要的工作电源来自计数器。物体转动一周，霍尔开关就感应一次永久磁铁的磁场。此时霍尔开关从输出端送出一个脉冲电压，脉冲波形如图7-17所示。计数器得到一个脉冲时，就从显示屏上显示“1”；得到两个脉冲，就显示“2”。实际上，计数器就是一个累加器。由此可见，计数器上显示的数值，就是物体（自行车轮）转动的圈数。有了计数器上的圈数，有了手表上的计时，就可计算出转动物体的转速。

转速计数器很有实用价值，将它安装在汽车上还可以计算行程。例如，某汽车轮子周长为2m，计数器上显示轮子转了圈，那么汽车的行程就是2m× = m =200km。转速计数器若安装在绕线机上，则更加实用，既可免除计数的麻烦，又可避免计数中出现的错误，提高工作效率。

6.1.2 防盗控制

电路由降压电容C1、稳压二极管VD1、整流二极管VD2、滤波电容C2组成的向霍尔开关供电的直流电源电路。

开关S闭合后，就给霍尔开关加上了5V的直流电压。霍尔开关没有感应到磁场时，输出端就输出高电压，触发晶闸管导通。220V电压便加在蜂鸣器上，蜂鸣器就发出很强的鸣笛声。当霍尔开关感应到磁场时，输出端就为低电压，晶闸管不被触发，蜂鸣器就不发出鸣笛声。

安装防盗器时，霍尔开关可安在门框上，电路盒装在墙上，永久磁铁装在门边。家中主人关门时可顺手闭合电源开关S。这时磁铁与霍尔开关靠得很近，霍尔开关就输出低电压不触发晶闸管。当有盗贼打开门之后，永久磁铁远离霍尔开关，霍尔开关便输出高电压触发晶闸管导通，蜂鸣器就发出很强的鸣笛声，这就是防盗器的工作原理。

6.1.3 水塔水位自动控制

7. 应用霍尔开关的注意事项

霍尔开关用途很广泛，并正在日益扩展。例如，霍尔开关可用于高速冲床、复杂纹进模具的送切料、行程控制、家庭程控等。可测量旋转物体的转速，测量往复直线运动物体的运动频率，实现电器大电流过流保护控制等。

了解霍尔开关后，我们还可自行设计一些应用，如用霍尔开关的可控特点，将录音机设计为全自动停机。根据无触点磨损的特点，还可利用霍尔开关改造、替代电器中动作频繁的机械触点开关，例如，台式游戏机的手动机械开关，动作很频繁，极易损坏，若用霍尔开关替代，即可无磨损地长期使用。

霍尔开关在应用中应注意以下几点。

❶ 大多数霍尔开关的磁感应面在标有字符的平面上，应用中应保证磁力线垂直穿过霍尔开关的磁感应面。如果正常的霍尔开关在应用中出现不能触发的情况，可调换磁铁的极性或霍尔开关的磁感应面试一试，即能正常工作。

❷ 用霍尔开关设计应用电路时，一定要按参数选用，特别是工作的电源电压、输出极最大耐压、输出极最大电流等不能超越，否则容易损坏霍尔开关。

❸ 霍尔开关输出极负载电阻，可接在霍尔开关本身的电源上，也可接在被控制电路的电源上。阻值的选择，必须保证流过电阻的电流应小于输出极的最大输出电流，否则会因负载过重而损坏霍尔开关。同时，也应保证霍尔开关输出极电压小于它的反向电压参数，这样霍尔开关才能安全可靠地工作。

❹ 霍尔开关在应用中，它的三个电极一定不能安装错。

8. 霍尔选型

补充：霍尔开关选型——单极霍尔、双极霍尔、线性霍尔、全极霍尔

单极霍尔开关(Unipolar Hall) 需要指定一个磁极一般都是指定S极，当磁场靠近时霍尔导通输出低电平，磁场远离时霍尔关闭输出高电平，而另一磁极始终高电平。根据单极霍尔的这个特性，可以使用一个磁钢或者类似的磁场来进行各种应用比如：接近开关、无刷电机,转速检测、流量传感、无接触式定位等；

双极霍尔开关 (Bipolar Hall) 需要两个磁极分别控制高低电平，利用磁场NS极交替来输出信号。如S极靠近时输出低电平，N极靠近时输出高电平。双极霍尔有一种特殊形式叫锁存霍尔或锁定霍尔：如S极靠近时开启，磁场离开继续保持开启;当靠近N极时才会关闭，磁场移除后继续保持关闭状态，直到下次磁场改变，这种保持上次状态的特性即锁存特性，这种类型的霍尔就是双极锁存型霍尔；

线性霍尔开关（Linear Hall） 的输出电压与传过其本身的磁场强度成正比，根据磁场极性和强度其输出电压上升或下降 。通过磁场强度的变化可以得知出相应位置的改变数据，输出电压与感应到的磁场极性和强度的关系固定，主要用于位移检测，油门踏板、调速、压力传感，磁场检测，电流检测；

全极霍尔开关（Omni-polar Hall） 不分南极(S)北极(N)检测磁场，磁铁接近时输出低电平，远离时输出高电平，根据全极霍尔的特性多用于：智能三表，开关，手持设备等产品。注：请与双极霍尔区分，全极霍尔是NS磁场都能感应，而双极霍尔只能感应一个磁场，实现功能是采用NS交替。

霍尔开关知识补充（ PM 21:5）：

当 S极 靠近霍尔时，输出 低电平;
当 S极 远离霍尔时，输出 高电平。

2.双极性霍尔 （Bipolar Hall）

双极性霍尔同时需要两个磁极分别控制高低电平；利用磁场SN极交替来输出信号。

当 S极 接近有标记的面（丝印面）时，霍尔输出导通 低电平，霍尔S极撤离后，输出保持 导通状态（低电平）；

当 N极 接近有标记的面（丝印面）时，霍尔输出截止 高电平，霍尔N极撤离后，输出 保持 截止状态（高电平）。

3.全极性霍尔 （Omni-polar Hall）

全极性霍尔开关，又叫做无极性霍尔。

全极性霍尔不分南北极（S/N极）检测磁场。

磁铁接近时输出低电平，远离时输出高电平。

任何一个磁极面向标记面（丝印面），且施加的磁感应强度超过工作点输出导通，输出由高变低；

当磁感应强度减弱低于释放点时，输出高端，输出由低变高。

资料下载

• 【CSDN】汇总：霍尔元件规格书(2023.11.04)

参考资料

• [1] 《元器件易学通：常用器件手册》·龚华生编

补充（）

霍尔元件参数之磁滞

什么是轴向/径向充磁？