ホール効果測定システム

ホール効果は 1879 年にエドウィン ホールによって発見されましたが、技術の進歩により集積回路がこの現象を最大限に活用できるようになるまでには何年もかかりました。今日、ホール効果センサー IC は、測定電流パスと測定回路間の電気的絶縁を維持しながら正確な電流測定を実現する便利な方法を提供します。

ローレンツからホールへ
ホール効果はローレンツ力の拡張であり、磁場を通過する電子などの荷電粒子に働く力を表します。磁場が電子の運動方向に対して垂直に向いている場合、電子は運動方向と磁場の方向の両方に対して垂直な力を受けます。

ホール効果を利用する
ホール効果によって生成される電圧は、通常回路に影響を与えるノイズ、オフセット、温度効果に比べて小さいため、半導体技術の進歩により、ホール素子とホール電圧の増幅および調整に必要な追加回路を組み込んだ高集積コンポーネントが可能になるまで、ホール効果に基づく実用的なセンサーは普及しませんでした。ただし、ホール効果センサーは、小さな電流を測定する能力に限界があります。たとえば、Allegro MicroSystems の ACS712 の感度は 185 mV/A です。つまり、10 mA の電流では、わずか 1.85 mV の出力電圧しか生成されません。この電圧は、回路のノイズ フロアが低い場合は許容できるかもしれませんが、電流パスに 2 Ω の抵抗器を含めることができれば、結果として得られる 20 mV の出力電圧は大幅に改善されます。

ホール効果はさまざまなセンサー アプリケーションに関連しています。電流、磁場、電圧間のこの比較的単純な関係に基づくデバイスを使用して、位置、速度、磁場の強度を測定できます。ただし、この記事では、測定電流によって誘導される磁場が統合されたホール効果素子に向かって集中したときに生成されるホール電圧を介して電流を測定するデバイスに焦点を当てます。

長所と短所
ホール効果電流センサーの性能特性はそれぞれ異なるため、ホール効果センシングの利点と欠点を、他の一般的な電流センシング技術、つまり電流パスに高精度抵抗器を挿入し、差動増幅器で結果として生じる電圧降下を測定する技術と比較して正確にまとめることは困難です。しかし、一般的に、ホール効果センサーは「非侵入型」であることと、電流パスと測定回路の間に電気的絶縁を提供する点で高く評価されています。これらのデバイスが非侵入型と見なされるのは、電流パスにかなりの抵抗が挿入されないため、測定対象の回路はセンサーが存在しないかのように動作するからです。もう 1 つの利点は、センサーによって消費される電力が最小限であることです。これは、大電流を測定する場合に特に重要です。

精度に関しては、現在入手可能なホール効果センサーは 1% という低い出力誤差を実現できます。適切に設計された抵抗電流検出回路はこれを上回る可能性がありますが、ホール効果デバイスが特に適している高電流/高電圧アプリケーションでは、通常 1% で十分です。

分離
ホール効果センサーの主な利点の 1 つは電気的絶縁であり、回路設計やシステム設計の文脈ではガルバニック絶縁と呼ばれることがよくあります。ガルバニック絶縁の原理は、2 つの回路が直接電流が流れないように通信する必要がある設計では常に使用されます。簡単な例としては、デジタル信号が光アイソレータを通過する場合が挙げられます。光アイソレータは電圧パルスを光パルスに変換し、データを電気的ではなく光学的に送信します。ガルバニック絶縁を実装する主な理由の 1 つは、グラウンド ループに関連する問題を防ぐことです。

基本的な回路設計の原則では、相互接続されたコンポーネントが共通の接地ノードを共有し、その接地ノードは 0 V であると想定されています。ただし、現実の世界では、「接地ノード」は非ゼロ抵抗の導体で構成され、これらの導体は回路から電源に戻る電流の戻り経路として機能します。オームの法則は、電流と抵抗が電圧を生成することを思い出させます。戻り経路でのこれらの電圧降下は、回路またはシステムの一部の「接地」が別の部分の「接地」と同じ電位ではないことを意味します。接地電位のこれらの差は、無視できるものから壊滅的なものまで、さまざまな問題を引き起こす可能性があります。

ガルバニック絶縁は、2 つの回路間の直流電流の流れを防ぐことで、異なる接地電位を持つ回路が正常に通信できるようにします。これは特に電流検出アプリケーションに関係します。低電圧センサーと処理回路は、たとえばモーター駆動回路で大きく変動する電流を監視する必要がある場合があります。これらの大きく急速に変化する電流は、リターン パスで大きな電圧変動を引き起こします。ホール効果センサーを使用すると、システムは駆動電流を監視し、高精度センサー回路をこれらの有害な接地変動から保護することができます。

コモンモード電圧
ホール効果センサーのもう 1 つの重要な用途は、高電圧を伴う電流測定です。抵抗電流検出回路では、差動増幅器が抵抗器の片側ともう一方の側の間の電圧差を測定します。ただし、これらの電圧が接地電位に対して大きい場合、問題が発生します。

実際のアンプには「コモンモード範囲」が限られているため、入力電圧が互いに相対的に小さい場合でも、グランドに対して大きすぎると、デバイスは正常に機能しません。電流検出アンプのコモンモード範囲は、通常、80 または 100 V を超えることはありません。一方、ホール効果センサーは、測定対象回路のグランド電位に関係なく、電流を電圧に変換できます。したがって、電圧が物理的損傷を引き起こすほど大きくない限り、コモンモード電圧はホール効果デバイスの動作に影響を与えません。

ホール効果は、サンプルを通る磁場とサンプルの長さに沿った電流の組み合わせによって、磁場と電流の両方に垂直な電流が生成され、次に両方に垂直な横方向電圧が生成されたときに観察されます。基本原理は、電磁場による点電荷への力であるローレンツ力です。

ホール効果測定は、シリコンベース、化合物半導体、太陽電池用薄膜材料、グラフェンなどのナノスケール材料など、半導体材料の特性評価に非常に役立ちます。測定範囲は、低抵抗（高ドープ半導体材料、高温超伝導体、希薄磁性半導体、GMR/TMR 材料）から、半絶縁性 GaAs、窒化ガリウム、テルル化カドミウムなどの高抵抗半導体材料まで多岐にわたります。

ホール効果測定システムは、さまざまな材料パラメータを決定するのに役立ちますが、最も重要なのはホール電圧 (VH) です。キャリア移動度、キャリア濃度 (n)、ホール係数 (RH)、抵抗率、磁気抵抗 (RB)、およびキャリア伝導性タイプ (N または P) はすべて、ホール電圧から導き出されます。

研究者が次世代の IC やより効率的な半導体材料を開発する中で、特に高いキャリア移動度を持つ材料に興味が集まっており、これがグラフェンへの関心の大きなきっかけとなっている。この 1 原子の厚さの炭素は量子ホール効果を示し、その結果、相対論的な電子電流の流れが生じる。研究者は、ホール効果の測定がエレクトロニクス産業の将来にとって極めて重要であると考えている。

キャリア移動度の高い材料は、より低い電力レベルで最大の電流フローを得るデバイスの作成を可能にし、スイッチング時間が短く、帯域幅が広くなります。オームの法則を操作すれば、電流を最大化するためのキャリア移動度の重要性がわかります。電流はキャリア移動度に正比例します。

デバイスを流れる電流を最大化するためのオプションには、電圧の増加、電荷キャリアの濃度、サンプルの断面積の増加、または電荷キャリアの移動度の増加などがあります。最後のものを除いて、これらにはすべて重大な欠点があります。

モビリティの測定
キャリア移動度を決定する最初のステップは、サンプルに垂直な磁場 (B) とサンプルを流れる電流 (I) の両方を強制してホール電圧 (VH) を測定することです。この組み合わせにより、横方向の電流が生成されます。結果として生じる電位 (VH) は、デバイス全体で測定されます。サンプルの厚さ (t) と抵抗率 (r) の両方の正確な測定も必要です。抵抗率は、4 点プローブまたはファンデルポー測定技術を使用して決定できます。これらの 5 つのパラメーター (B、I、VH、t、抵抗率) だけで、ホール移動度を計算できます。
ホール電圧と測定されたファンデルパウ抵抗率はどちらも通常は非常に小さいため、正確な移動度結果を得るには適切な測定と平均化技術が重要です。