Датчик холла Советский патент 1974 года по МПК H01L7/02 G01R29/00 

1

Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть применено для детектирования и преобразования СВЧ-сигналов, измерения компонеВТ блектромагнитного поля, анализа спектра частот и,т.д.

Известен четырехэлектродный датчик Холла, которы.й имеет ряд полупроводниковых слоев с чередующимся типом проводимости, изолированных друг от друга. На верхней и нижней плоскостях каждого из полупроводниковых слоев расположена пара омических холовских контактов. Торцовые стороны полупроводниковых слоев покрыты диэлектриком и на эти поверхности блок-структуры нанесены напылением металличе ские слои; таким образом, в этой части структуры полупроводниковые слои, диэлектрик и. металл образуют ряд конденсаторов, способствующих закорачиванию переменной составляющей а.д.с. Холла, а также э.д.с.,

обусловленной неэквипотенвдальностью элементов датчика. Холловские контакты соединены последовательно металлическими перемычками. Емкостные токовые электроды выполнены едиными для блока параллельно соединенных полупроводниковых слоев, . Датчик предназначен для измерения , мощностей в диапазоне высоких час-0 тот.

Датчик имеет следующие недостатки: искажение электромагнитного поля холловскими выводами, для уменьшения которого датчики в волноводах или коаксиальных линиях . приходится располагать так, чтобы линии электрического поля были перпендикулярны выводам сигнала Холла; измерение полей в свободном

0 пространстве и системах с высшими типами колебаний затруднено из-за неконтролируемого влияния выводов; возникновение магнитных наводок на петлю, образуемую холловскими вы5 водами и полупроводниковым матери ;;

алом, для Компенсации которых применяют дополнительные выводы или компенсирующие витки, однако на высоких частотах и особенно СВЧ эти средства малоэ фективны; несовместиьюсть с детекторными и смесительными СВЧ-головками вследствие более сложного герметизирущего корпуса, обусловленного четырьмя выводами датчика.

Для уменьшения искажения электромагнитного поля холловскими выводами и снижения магнитных наводок на них в предлагаемом датчике емкостнйе токовые электроды соединены попарно с ХОЛЛОВСКИМИконтактами посредством резистивных полос, изолированных другот друга.Резистивные полосы могут быть выполнены/из металла, нанесенного на поверхность диэлектрического слоя. РбЗИстивные полосы- могут быть в ыполнены в виде высоколегированных каналов в полупроводниковой пластине и шлеть тип проводимости, противоположный типу прово-: димости исходного полупроводника.

На фиг.1 показан предлагаемый датчик холла, вид сбоку с частичным разрезом в месте расположения холловского контакта; на фиг.2 то же, вид сверху.

На полупроводниковую пластину I нанесен слой диэлектрика 2, например, окисла кремния; на диэлектрическом слое 2 расположены токовые электроды 3, соединенные с помощью резистивных полос 4 с холловскими контактами 5, которые выполнены вплавлением металла через отверстие ь в диэлектрическом слое 2,

Резистивные полосы 4 (фиг.2) ни в одной точке не соприкасаются друг с другом и шлеют Г-образную конфигурацию в плане с изгибом в месте пересечения осей в плоскости датчика. Полосы 4 могут быть -выполнены либо металлическими, либо путем высокого легирования полупроводника I примесью противоположного типа проводимости. В этом случае контакт токовых электродов 3 с резистивными полосами 4 должен быть осуществлен через отверстия в диэлектрическом слое 2.

На фигЛ показано, что токовые электроды 3 датчика имеют емкостной характер, поскольку они расположены на слое диэлектрика 2, покрывающем полупроводник I.

В готовом виде прибор имеет только два вывода, присоеданенных

к емкостнщ токовым ;бле1стродам. Эти .выводы служат одновременно для подачи высокочастотного тока питания и выведения сигнала Холла, Тем самым существенно упрощается конструкция датчика Холла и достигается возможность применения его для детектирования и смещения СВЧ-сигна лов в СВЧ-детекторах и сместителях.

Шесте с тем предлагаемый датчик позволяет измерять значительные мощности в диапазоне СВЧ в отличие от известных датчиков Холла. Для выведения сигнала Холла

из линии питания током применяется частотная селекция.

Магнитные наводки в предлагаемом датчике сведены до минимума тем, что толщина диэлектрического

слоя 2, определяющая площадь петли холловского сигнала, составляет 1-2 мкм при линейных размерах полупроводниковой пластины в несколько миллиметров.

Толщина металлических резистивных полос 4, полученных вакуумным напылением, составляет не более I мкгл, а толщина тех же полос,

выполненных в виде высоколегированных каналов в теле полупроводника, не превышает 20-30 мкм. В том и в другом случае удельное сопротивление резистивных полос примерно равно удельному сопротивлению полупроводника, поэтому в электромагнитном поле датчик ведет себя как однородная полупроводниковая пластина.

В электрические цепи датчик

включается аналогично детектирующим и преобразовательным диодам, в магнитные цепи - как и четырехэлектродные приборы.

В качестве примера можно рассмотреть работу датчика в детекторном режиме в волноводном измерителе мощности падающей волны для колебаний Нт на частоте 4500 мгц. Датчик поглодает минимальную

мощность и отдает максимум холловского сигнала, если плоскость датчика перпендикулярна поперечному сечению волновода, а ось, проходящая через токовые электроды датчика, перпендикулярна широкой стенке волновода. Проволочные выводы, припаянные к емкострым электродам, пропускают через отверстия в широких стенках волновода и укрепляют в емкостных втулках с винтовыми разъемами для подключения измерителя холловского сигнала.

К смонтированному таким образом в волноводе датчику в рабочем режиме прикладывают высокочастотное электрическое поле, численно равное разности потенциалов около отверстий в широких стенках волновода. Вектор высокочастотного электрического поля совпадает по фазе магнитным полем падающей волны и ортогонален ему. Отраженная волна волноводе этим сво ством не обладает, поэтому датчик реагирует только на падающую волну.

Под действием электрического поля емкостные электроды и полупроводниковый слой течет высокочастотный ток, замыкающийся на широких стенках волновода.

При взаимодействии тока в полупроводнике с высокочастотным магнитным полем на холловских контактах возншшет э.д.с. Холла, низко.частотная составляющая которой выводится посредством резистивных полос на проволочные выводы к измерителю компонентов холловского сигнала.

Г смесительном режиме датчик работает следующим образом. Датчик включается в волновод или резонатор аналогично детекторному включению, но вместо емкостных втулок устанавливают коаксиальные разъемы для соединения с усилителем промежуточной частоты. Гетеродинные колебания попадают в волновод обычным ос5разом, при этом на датчик гоздействует суперпозиция электрических и магнитных полей двух частот, которая сама по себе не порождает комбинационных частот. Датчик работает как перемножающий элемент, поэтому э.д.с. холла содержит суммарную и разностную частоты, последняя из которых выводится через резистивные полосы и проволочные выводы к усилителю промежуточной частоты.

ПРЕДМЕТ ИЗОБРЕТЕНИУ

1.Датчик Холла, состоящий из покрытой диэлектрическим слоем полупроводниковой пластины с дгумя емкостными токовыми электродами и

5 двумя омическими холловскими контактами, отличающийся тем, что, с целью уменьшения искажения электромагнитного поля холловскими выводами и снижения магнитных

0 наводок на них, емкостные токовые электроды соединены попарно с холловскими контактами посредством резястивных полос, изолированных друг ОТ дюуга.

5

2.Датчик по п.I, отличающийся тем, что резистиБные полосы выполнены дз металла, нанесенного на поверхность диэлектрического слоя,

0

3.Датчик по п.I, о т л и ч аю щ и и с я тем, что резистивные полосы выполнены в виде Еысоколегированных каналов в полупроводниковой пластине и имеют тип проводи° мости, противоположный типу проводимости исходного полупроводника.

у J /

/

АЖЖ И ЯЖМЖ

.

562 I / /