Датчик магнитного потока Советский патент 1980 года по МПК G01R33/07 

1

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и магнитным датчикам, в частности к датчикам Холла.

известны датчики Холла, которые обычно создают напряжение считывания или выходное напряжение Холла в лучшем случае порядку 10-20 милли:вольт на килогаус. Они представляют собой металл-окисел-кремниевый преобразователь магнитного поля высокой чувствительности.

Эти устройства малочувствительны.

Известен датчик магнитного потока, содержащий слой проводящего полупроводникового материала, два контакта поля, выходной контакт и источник напряжения.

У этого устройства тот Же недостаток.

С целью повьиения чувствительности в датчике магнитного потока, имеющем слой-проводящего полупроводникового материала, два отдельных контакта поля, прикрепленных к этому спою, выходной контакт, присоединенный к слою между двумя отдельными контактами, и источник напряжения которого соединены с контактами поля, отношение величины приложенного напряжения к расстоянию

2

между контактами поля равно по крайней мере 500 вольтам на сантиметр а электрическое сопротивление между, двумя контактагда поля - по крайкей

б мере 500 - омам, где L - длина, а W - ширина проводящего слоя между контактами поля.

На фиг.1 и 2 изображены два варианты выполнения устройства; фиг.З

0 изображает вариант соединения ряда датчиков,обеспечивающих балансирование напряжения смещения:на фиг.4 и 5 изображены варианты устройства с использованием технологий созда 8 ния интегральных схем в виде, подобном тому, что приведен на фиг.З; на фиг.6 показана в схематическом виде работа устройства без приложения магнитного поля; на фиг.7 ® то же при приложении магнитного поля.

Слой 1 проводящего полупроводникового материала имеет контакты 2

и 3 для приложения напряжения поперечного поля. Источник напряжения соединен, например, с контактом 2, а контакт 3 заземлен. Поэтому между контактами 2 и 3 существуетэлектри® ческое поле Е. Слой 1 имеет о инановое сопротивление по всей длина Поэтому легко определить электрический потенциал влюбой узловой точке вдоль него, как. пропорциональный гапряжению источника. Выходной контакт 5 показан расположенным в некоторой точке между контактами ,2 и 3, Обнаружено, что если проводимость в омах на единицу площади слоя 1 полупроводникового материала удерживать в пределах определенных минимал ных диапазонов и если электрическое поле менэду контактами 2 и 3 сохранят на достаточно высоком уровне; выходн сигнал напряжения с контакта 5 будет на один или два порядка больше, чем в известных датчиках Холла,, Это значит, что достигаются подвижнос: и носителей, приближающиеся к уровяям объемных подвижностей основного полу проводникового материала. . Основной режи работы усо:ройсгвг1 заключается в том, что Лоренцово отклонение заряженных носителей приводит к напряжению Холла,Фиг.В показывает в схематической форме основну структуру устройства, в которой источник напряжения 4 подключен, к -контактам 2 и 3, которые находятся на противолежащих сторонах слоя 1 полупроводникового материала. Выходной контакт 5 расположен между :онтактам 2 и 3. Длина L слоя до сонтэл та 5 измеряется как расстояние X. а напряжение UQ ме;-кду контактом 5 и является выходным налряжениеьч которое должно контролировб.ться „ Шир на слоя 1 составляет величину W, электрическое поле Е существует межд контактами 2 и 3, Если удельное сопротивление слоя 1 между контактагж 2 и 3 равномерно, потенциал напряжен в любой точке X по длине L пропорияо напен его смещению от источника напряжения 4,Плотность тока D заря женных носителей в слое 1 такая, кан показано на фиг. 6. Здесь вертикальни пунктирные линии отмечают линии одинакового потенциала вдоль слоя 1. В этом состоянии к слою 1 не приложено .никакого магнитного поля В Датчик реагирует на перпендикулярно направленные поля .полярностью, которая направлена внутрь или наружу плоскос ти фиг, б. На фиг, 7 по существу во.спроизведе на фиг.6, но с. магнитным полем В, направленным в плоскость бумаги, как показано пересечением X в части слоя 1 фиг.6, Это поле должно поворачивать линии одинаковых потенциалов так, чтобы их концы смещались на величину-ё от их исходного вертикального Ьоложения, показанного на фиг.б, Этот угол поворота выражается как Gli, или угол поворота Холла, показанный на фиг.7. Из сравнения фиг;6 и 7 очевидно, что поворот ли.иий j.UHoro и того же потенциала внутри слоя 1 полупроводникового материала изображен как внесенный введением магнитного поля с направлением, перпег1дикулярным поверхности слоя. Приводимое ниже уравнение дает выражение для напряжения Jy между выходным контактом 5 и землей, которое показано на фиг,6 и 7. , ..--.i.ание (1) выводится из основriocc :ре.дположения, что сопротивление С.ТОЯ 1 равномерно по его длине и чч о напряжение IJo в любой точке йзл.чатся функцией расстояния вдоль .цлины L (часть - уравнения) плюс любая составляющая сигнала S, которая вызвана поворотом линий одинакового потенциала, как показано на . фиг.7 (часть 5. уравнения). Выра жение S в уравнении (1) является функцией углового поворота линий одинакового потенциала, показанного на фиг,7, как результат приложения магнитного поля плотностью В, нормального относительно поверхности слоя 1, Приводимое ниже уравнение дает 5 в выражениях угла поворота0Ь, ширины слоя 1 W, плотности магнитного потока 3 и подвижности носителей /CJ . Ре.шая уравнение (2) относительно S и подставляя эту величину для S S уравнение (1), йолучаем «,и„.и,()И.и ,3, Уравнение (3) является основным выражением для потенциала, который : будет измерен у контакта 5,- расположенного на расстоянии X от заземленного контакта 3 вдоль оюя 1 датчика. Оно дает этот потенциа.т как функцию подвижности,О носителя, плотности В магнитного потока, фор№) - слоя J. и напряжения U источника напряжения 4. Выходной сигнал (Jp содержит два выражения. Выражение ij -4 является напряжением смещения постоянного тока, которое может быть исключено путем эталонирования напряжения контакта 5 относительно UQ через переменное сопротивление, например, показанное на фиг.2. Предпочтит льный способ исключения напряжения смещения показал на сбалансированном сдвоенном Т-образном датчике (фиг.3), который будет описан далее. Выходной сигнал структуры по фиг.3 ()bx..

Величина подвижностиxj , описанная в настоящем .изобретении,близко подходит величине объемной подвижности слоя 1 полупроводникового материала носителя. Для данного источника напряжения (Ug) достаточно превысить величину Е критического поперечного поля, которая будет описана позже, а чувствительность датчика может быть Улучшена путем выбора соотношения т . и

Можно также показать, что отношение сигнал/шум для этого типа конструкции магнитного датчика (составляет приблизительно в степе.ни 3/2;

Эквивалентные выражения для уравнения (4) :

Uo WRh3B

(5)

(б)

Uo Hi5ifi

т (7)

Т

где W - ширина датчика;

Rh - равно величинер , которая равна j и является постоянной Холла, I - ток источника;

d - дрейфовая скорость носителей заряда;

В - магнитное поле в гауссах; т - толщина слоя 1.

Уравнение (7) показывает, что выходное напряжение датчика или напряжение Холла обратно пропорционально толщине слоя 1 полупроводникового материала. Таким образом, выполнение слоя 1 тонким должно привести к большему напряжению Холла на единицу поля В.

Некоторые другие выражения для выходного напряжения датчика в очке контакта 5 следующие:

|о (8)

Uo B wVPJl/D(9)

Уравнение (6) показывает, что напряжение Холла или выходное напряжение пропорционально скорости носителей заряда, а не числу носителей. Уравнение (8) показывает, что выходное напряжение выражается в величинах прикладываемого тока и произведения подвижности носителей и характеристического сопротивления в омах на единицу площади полупроводникового слоя 1 в активной зоне.

Согласно (4) выходное напряжение может быть выражено в величинах приложенного напряжения и подвижности носителей (вместе с плотностью магнитного потока и относительным удлинением устройства). Ни уравнение .(8) , ни уравнение (4) не отражают ограничений величин тока или напряжения, которые могут быть приложены к полупроводниковому устройству. Согласноэтим уравнениям выходное, напряжение на единицу прикладываемо.го поля мозгно регулировать до лйбоя желаемой величины путем приложения

достаточного тока или напряжения, пока может быть отведено тепло, создаваемое в полупроводниковом слое 1. Ограничения, накладываемые рассеянием мощности, создаваемой в активной области слоя 1, покаэаны-в уравнении (9).

Уравнениа 9) рассматривается как наиболее практическое вьфажение поскольку оно определяет выходное напряжение или напряжение Холла

0 в выражениях подвижности носителя, характеристического сопротивления устройства в омах на едииицу площади , ширины W слоя 1, и плотности Р энергии, рассеиваемой в проводящей

5 зоне слоя 1.

Выходное напряжение пропорционально подвижности носителей заряда (4). Хорошо известно, что когда поперечное электрическое поле Е, приклады0ваемое к полупроводниковому слою 1, увеличивается, подвижность уменьшается .

Большее выходное напряжение Холла получается при увеличении подвижности Увеличение электрического поля на

5 устройстве уменьшает подвижность и, таким образом, уменьшает выходной сигнал Холла. При использовании кремния в качестве датчика Холла для повышения .чувствительности были

0 достигнуты наилучгчие выходные напряжения Холла, имеющие подвижность порядка 150 см /вольт-сек для основного используемого материала. Хорошо известно, что другие вещест5ва, такие, как арсенид галлия, обладают гораздо большими подвижностями, и они проявляют подвижности Холла, сравнимые с обычной дрейфовой подвижностью для кремния и германия.

0

Как подвижность Холла, так и подвижность носителей заряда или дрейфовая подвижность уменьшгиотся с увеличением электрического поля, т.е. нет необходимости использовать большое электрическое поле, поскольку

5 это уменьшает подвижность и ведет к снижению выходного сигнала Холла.

Насколько видно из приведенных выше выводов, существенным критерием является скорость носителя, а не подвижность. СДнако простое достижение высокой скорости носителя путем приложения больиюго электрического поля привело бы к роковым последствиям в отношении рассеяния энергии. Удельное сопротивление материала, работа примесного уровня должны быть также приняты во внимание.

Предпочтительные варианты построения датчика требуют соблюдения определенных минимальных критериев. Во-первых, удельное сопротивление полупроводникового материа41а должно составлять приблизит;ельно 500 ом на единицу площади, чтобы достигалось еще большее удельное ь . Эторо добиваются подборо iL-KLui .пластины полупроводникового мал-.-, па, уровнем концентраций и рнзпч -п способами управления концектрайиёй примеси, Во-вторнх питающее; Электрическое поледолжно быть поряд .ка 500 в на сантиметр, пока будут достигнуты требуемые скорости носи.телей. Уравнение (б) показывает, что сигнал выходного напряжения пропор-ционален дрейфовой скорости , Фиг,б показывает влияние электричес кого поля или скорости носителей для различных полупроводниковых материалов и как для дырок;. так и для электронов. Очевидно, что при по перечном поле 3x10 в/см скороста . носителей достигает насыщения и :1г. скорость 10 см/сек, в сущности неза висима от материала и типа носитепя (дырки или электроны). Из урззяянкя (6) очевидно, что поперечное поле Зх.10 в/см желательно и что сигнап срабатывания Холла по существу не зависит от материала и типа носител электроны или дырки„ Чтобы досгичь . этого значения поперечного поля, следует соблюдать специальные крите в отношен-ии минимального сопротивле проводящей пластинки в омах на един цу площади. Из вышеприведенного рас .суждения очевидно, что несущественно какой состав полупроводникового материала участвует в получении большого сигнала срабатывания к какой тип носителя используется, при ус ловил, что удовлетворяется комбина ция точно определенного сопротивпен в омах на единицу площади и попереч ного электрического поля, BaiscHO знать, что как критерий напряженнос ти для электрического поля воз буж..дения, так и удельное сопротивление В омах на единицу плош.ади должны удовлетворяться, ч.тобы создать работающее устройство, которое не его рало бы при повьиценном рассеивании энергии. Ниже этих критических уров ней работоспособность может быть достигнута, но не будет создано улучшенное устройство,предусмотренно настоящим изобретением. Обратимся к фиг,4р с помощью которой будет- описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, выполненного с использованием технологии изготовления полевых тран зисторов и управления ионным вьГедре нием для создания примесных уровней глубины проникновения. Устройство должно быть выполнено в полупроводни ковом материале, например кремнии, германии или арсениде галлия, при уровне примеси, управляемом так, чтобы, число атомов на куби ческий сантиметр находилось в диапа зоне ниже 10 г показанном на фиг, 4 . ло;-; .:i,;i,,i-i;;-a/:-:..:-,t удельное со- i-ifepe SO О ом а а . -ivi:;- по Мб:-. --.ей -.;-:;,: 1ЛОЩа.и1-1 ., ji, 4 показываем вид сверку двук :-аных ионным виэдрением полупро./iisx областей Ь .7 которые .;-дщий И раздс.:-й«:.-;ый попонаы i-oHHbm лчасто и сссдкнитель является элекоску, ко тора;fiHM контактом 8 .для датчика. ионты внедренных областей : Э-Г/ТСЯ ЛИффу-зйОгЖЫМИ ПО-ПОС--- (эес.гачиБз ок-.-:.- ,-/ л ле5 :три аскне 3 и 10. Ко.;, акты рас вдоль однсг:; края вьедрен;.стей 6.7, чтосы они рззделя,-гам L саьй-Х внедрзнных й Г ;казанные контакты датчи гьлую фор(5, Е которой .-варенные участки выступают :: i гголупроводникового материала тобы выполнении диффузиононтакта в основной слой полуnpoBCJiHHKOBoro устройства не были вве.-ь:---з ггримеси Для прикрепления эо.и.:-: су по-пезны таюке прямой физический контакт с гликрозондом низкотемпературное соединение и т.д. Зона внедрения, включающая небольшой выступ 5, который служит в качестве точки прикрепления контакта, создается с помощью макси во время внедрений ИОНОВ так, чтобы геометрия зоны внедрения могла быть хорошо кокт1::олнруемой наряду с положением и -,- U- и присоединяемых контактов 5-6 Заштрихованная зона в плане на фиг.5 является внедренной областью 6-7 в слое ГЗ полупроводникового ма:серка-па, например кремния, в которой донорные ионы (такие, как трехвалентный фосфор) были внедрены путем зысокоэнерзгетической бомбардировки „ Контактные зоны 8-10 и контактные п.пощадки 11,12, которые прикреплены к KOHTaKTaj 5 и 6, выполнены обычншл способом маскированной дкффузнг, при котором большее г, ели част во доноров носителей вводится в ограниченные зоны материала полупроводниковой подложки. После т.:;о и операции слой 14 двуокиси кремния наращивают или осаз;;дают на всей поверхности полупровод никового слоя 9 с его внедренныгШ oблacтя в 6,7 в слое 14 двуокиси кре-иния вьйтравливают отверстия для прикрепления электрических проводникоЕ; а затем на слой двуокиси кремния через вытравленные отверстия осаждают алюминиевые контактные полоски, чтобы создать контакты с участками 8-10, а также небольшим участками контакта 5(6), Это лучше видно на фиг.5 которая является поперечным сечением по длине устройства, показанного на фиг.5. Области б j.7 внедрения имплантированы на глубину Х, которая управляется

энергией электрон-вольт ионов, которые бомбардируют поверхность кремкиевого материала слоя 13 подложки. Слой 13 имеет концентрацию атомов акцептора приблизительно около 5х10 Диффузионные области 8-10 и контактные площадки 11,12 имеют , концентрацию донорных примесей 2x10 доноров la кубический сантиметр так, что ОНИ являются относительно высокопроводящими областями. Слой 14 двуокиси кремния перекрывает имплантированную область 6,7 и контакты 8-12, показанные в поперечном сечении, с отверстиями, вытравленными в соответствующих местах так, что алюминиевые контактные полоски 15-17 могут выступать через отверстия и осуществлять физический контакт с различными контактными областми.

Контактные области контактов 5,6 должны быть по возможности более узкими, поскольку чувствительность устройства уменьшается пропорционально отношению ширины контакта к длине канала L. Технические характеристики датчика, выполненного по описанной технологии, должны быт.ь следующими для устройства на кремниевой подложке.

Концентрация .примесей подложки слоя полупроводникового материала приблизительно Sxio акцеп орюв на кубический сантиметр.

Материал ионного внедрения - трехВсшентный фтор в качестве электронного донора.

Мощность дозы внедрения - 150 КЭВ энергии внед5 ения, регулируемой, чтобы обеспечить плотность атомов донора приблизительно 2x10 доноров на квадиратный сантиметр.

Глубина внедрения приблизтельно 1800 Ангстрем.

Удельное сопротивление имплантанта на единицу площади приблизительно 10 ком.

Формула изобретения

Датчик магнитного потока, имею|ф1й слой проводящего полупроводникового материала, два отдельных контакта поля, прикрепленных к этому слою, выходной контакт, присоединенный к слою между двумя отдельными .контактами поля, и источник напряжения, клеммы которого соединены с контактами поля, отличающийся тем, что, с целью повышения его чувствительности, отношение величины приложенного напряжения к расстоянию между контактами поля равно по крайней мере 500 вольтам на сантиметр, а электрическое сопротивление между двумя контактами поля - по крайней мере 500 - омам, где L - длина, W - ширина проводящего слоя между кон-г тактами поля.i

(«.4

S Xd i 7 S f §

t«s--i- -

П o

I -J-Mv- X

in

n

l

1

/