作者：Shaun Milano，Allegro MicroSystems, LLC
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摘要
Allegro? MicroSystems, LLC 是開(kāi)發(fā)、制造和銷(xiāo)售高性能霍爾效應(yīng)傳感器集成電路的全球領(lǐng)導(dǎo)者。這一注解可讓您對(duì)霍爾效應(yīng)以及 Allegro 如何在封裝的半導(dǎo)體單片集成電路中設(shè)計(jì)和采用霍爾技術(shù)有一個(gè)基本的了解。
霍爾效應(yīng)原理
霍爾效應(yīng)是以埃德溫·霍爾 (Edwin Hall) 的名字命名的，他在 1879 年發(fā)現(xiàn)：當(dāng)一個(gè)磁場(chǎng)沿垂直于金屬板平面的方向穿過(guò)金屬板時(shí)，載流導(dǎo)電板上會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，如圖 1 的下面板所示。
霍爾效應(yīng)的基本物理原理是洛倫茲力，如圖 1 的上面板所示。當(dāng)電子以速度 v 沿垂直于外加磁場(chǎng) B 的方向移動(dòng)時(shí)，會(huì)受到一個(gè)作用力 F（即洛倫茲力），此作用力與外加磁場(chǎng)和電流方向垂直。
圖 1：霍爾效應(yīng)與洛倫茲力。藍(lán)色箭頭 B 代表垂直穿過(guò)導(dǎo)電板的磁場(chǎng)。
在該力的作用下，電子沿導(dǎo)體做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，金屬板上會(huì)聚集凈電荷、從而產(chǎn)生電壓。霍爾電壓 VH 遵循以下公式，該公式表明 VH 與外加場(chǎng)強(qiáng)成正比并且 VH 的極性取決于外加磁場(chǎng)的方向（向北還是向南）。憑借這一屬性，霍爾效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于磁性傳感器。
其中：
VH 是導(dǎo)電板上的霍爾電壓，
I 是通過(guò)金屬板的電流，
q 為載流子的電荷量，
ρn 為單位體積中的載流子數(shù)，
t 為金屬板的厚度。
由于霍爾效應(yīng)適用于導(dǎo)電板和半導(dǎo)體板，Allegro 半導(dǎo)體集成電路整合了一個(gè)霍爾元件。通過(guò)在完全集成的單片 IC 中使用霍爾效應(yīng)，可以測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和創(chuàng)造大量的霍爾效應(yīng)集成電路以滿(mǎn)足眾多不同應(yīng)用的需求。
Allegro 霍爾開(kāi)關(guān)由南極產(chǎn)生的正磁場(chǎng)激活。正磁場(chǎng)將開(kāi)啟輸出晶體管并將把輸出連接至 GND（為低電平有效器件）。
激活該器件和開(kāi)啟輸出晶體管所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度被稱(chēng)為磁場(chǎng)工作點(diǎn)，縮寫(xiě)為 BOP。當(dāng)磁場(chǎng)被移除時(shí)，輸出晶體管將關(guān)閉。關(guān)斷已開(kāi)啟器件所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度被稱(chēng)為磁場(chǎng)釋放點(diǎn)或 BRP。BOP 與 BRP 之差被稱(chēng)為回差，可用于防止因噪聲引起的開(kāi)關(guān)反彈。
Allegro 還制作了磁性鎖存器和線(xiàn)性器件。磁性鎖存器可以通過(guò)南極 (BOP) 開(kāi)啟，通過(guò)北極 (BRP) 關(guān)閉。鎖存器與簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)的區(qū)別是需要使用北極來(lái)禁用鎖存器。由于他們?cè)诖艌?chǎng)被移除時(shí)并未關(guān)閉，當(dāng)前的輸出狀態(tài)將保持不變（被“鎖存”），直至出現(xiàn)一個(gè)外加反向磁場(chǎng)。鎖存器可用于感測(cè)旋轉(zhuǎn)磁鐵以便實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)換相或用于速度感測(cè)。
線(xiàn)性器件具有模擬輸出，可用于線(xiàn)性編碼器中進(jìn)行位置感測(cè)，例如用于汽車(chē)油門(mén)位置感測(cè)。他們具有成比例輸出電壓，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，其名義上為 VCC / 2。在存在南極的情況下，輸出將朝 VCC 的方向移動(dòng)；在存在北極的情況下，輸出將朝 GND 的方向移動(dòng)。Allegro 可提供廣泛的霍爾開(kāi)關(guān)、鎖存器和線(xiàn)性器件以滿(mǎn)足各種應(yīng)用需求。請(qǐng)參考 Allegro 產(chǎn)品選擇指南：磁性線(xiàn)性和角度位置傳感器 IC、磁性數(shù)字位置傳感器 IC、基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器 IC 以及 磁性速度傳感器 IC。
運(yùn)用霍爾效應(yīng)
Allegro 霍爾效應(yīng)集成電路 (IC) 通過(guò)將霍爾元件與其他電路（例如運(yùn)算放大器和比較器）結(jié)合在一起的方式來(lái)利用霍爾效應(yīng)制作磁性開(kāi)關(guān)和模擬輸出器件。簡(jiǎn)單的霍爾開(kāi)關(guān)，如圖 2 所示的開(kāi)路 NMOS 器件，可以用來(lái)確定是否存在磁鐵和作出數(shù)字輸出響應(yīng)。
圖 2：一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān) IC 的方框圖
集成電路是將大量電路元件進(jìn)行高密度集成以使其成為一個(gè)整體元件的電子結(jié)構(gòu)。電路元件包括晶體管和二極管等有源元件以及電阻器、電容器和電感器等無(wú)源元件。這些元件用金屬（通常為鋁）相互連接，構(gòu)成該器件更為復(fù)雜的運(yùn)算放大器和比較器。圖 2 中的霍爾開(kāi)關(guān)只是一個(gè)簡(jiǎn)單的例證，這些元件其實(shí)可以應(yīng)用于所有的 Allegro 器件中，甚至可以用于制作最復(fù)雜的 IC。圖 2 中的霍爾元件位于帶有“X”的方框中。其輸出被放大、送入比較器中，然后形成開(kāi)路 NMOS 數(shù)字輸出。Allegro 還制作了帶有兩個(gè)可以感測(cè)差分磁場(chǎng)的霍爾元件以及三個(gè)可以偵測(cè)移動(dòng)鐵磁目標(biāo)位置的霍爾元件的霍爾 IC。無(wú)論傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多么復(fù)雜，這些元件都是在半導(dǎo)體材料的薄基片內(nèi)部和表面制成的。
霍爾 IC 結(jié)構(gòu)
Allegro 器件都是在硅基片上采用如下方法制成的：直接在硅中摻雜進(jìn)不同的材料以形成 n 型（電子）或 p 型（空穴）載體區(qū)域。這些 n 型和 p 型材料分區(qū)形成了構(gòu)成集成電路有源和無(wú)源元件（包括霍爾元件）的幾何結(jié)構(gòu)，并通過(guò)在幾何結(jié)構(gòu)上熔敷金屬的方式連接在了一起。有源和無(wú)源元件也因此建立了電氣連接。由于所需的幾何結(jié)構(gòu)非常小，在微米甚至更小的范圍內(nèi)，電路裝配密度非常高，可以在非常小的硅面積內(nèi)裝配復(fù)雜的電路。
所有有源和無(wú)源元件都被整合在基片內(nèi)或堆積在硅表面，導(dǎo)致與硅密不可分，從而真正地形成了單片集成電路。圖 3 表明了如何將一個(gè)霍爾元件整合在 Allegro IC 中。它只是一個(gè)形成了可以導(dǎo)電的 n 型板的摻雜硅區(qū)域。
圖 3：?jiǎn)蝹€(gè)霍爾元件的橫截面；在四角處都接觸到了 n 型 EPI 電阻器。
如前所述，當(dāng)電流被迫從金屬板的一角流到對(duì)角處時(shí)，在存在垂直磁場(chǎng)的情況下，金屬板另外兩角處會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電壓為零。以此類(lèi)推，更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成有源元件，例如 NPN 或 NMOS 晶體管結(jié)構(gòu)。圖 4 顯示了 NPN 和 PMOS 晶體管的橫截面。
圖 4：PMOS（頂部）和 n NPN 型 BJT 晶體管（底部）的橫截面
為確保生產(chǎn)效率，這些電路在仍為大晶圓形式時(shí)就被整合在了基片中。這些電路以行和列的形式重疊，可以鋸切成單獨(dú)的晶片或“芯片”，如圖 5 所示。
圖 5：硅晶圓（在形成了 IC 電路圖形后被鋸切成晶片）
圖 6 中顯示了一個(gè) Allegro 霍爾效應(yīng)傳感器 IC 器件。這是一個(gè)包含圖 2 所示的功能框圖中的所有內(nèi)容的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)。該 IC 中包含電路的所有部分，包括位于芯片中間紅色方框中的霍爾元件、放大器電路、保護(hù)二極管以及實(shí)現(xiàn)器件功能所需的多個(gè)電阻器與電容器。
圖 6：?jiǎn)我换魻?IC 芯片
霍爾器件封裝
在將硅晶圓（呈現(xiàn)為行和列的形式）鋸切成單獨(dú)的晶片之后，要對(duì)這些晶片進(jìn)行封裝以便進(jìn)行單獨(dú)銷(xiāo)售。封裝形式多種多樣，圖 7 顯示了其中的一種完整封裝形式。可以看到晶片位于封裝箱體內(nèi)、安裝在銅制晶片焊墊上。銅制引線(xiàn)的接點(diǎn)通過(guò)金絲線(xiàn)從晶片表面的金屬焊墊上連接到電氣絕緣的封裝外殼的引線(xiàn)上。然后用塑料對(duì)該封裝進(jìn)行包封和包覆成型處理以保護(hù)晶片免受損壞。
圖 7：典型的完整霍爾器件封裝（展示了安裝好的晶片和引腳的連接方式）。
圖 7 所示的封裝是對(duì)圖 2 的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)進(jìn)行的封裝，將 VCC、GND 和輸出引線(xiàn)整合進(jìn)一個(gè)微型 3 引腳單列直插式封裝 (SIP) 中。其他封裝如圖 8 所示，包括一個(gè)晶圓級(jí)芯片封裝 (CSP)、一個(gè) SOT23W、一個(gè) MLP、一個(gè) 3 引腳 UA 型封裝 SIP 和一個(gè) 4 引腳 K 型封裝 SIP。
圖 8：典型的完整霍爾器件封裝：(A) 表面安裝 MLP 和 (B) SOT23W，(C) 晶圓級(jí)芯片封裝 (CSP) 和穿孔安裝，(D) K 型 SIP 以及 (E) UA 型 SIP。
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