BG109919A

BG109919A - Semiconductor magnetosensitive element

Info

Publication number: BG109919A
Application number: BG109919A
Authority: BG
Original assignee: Институт По Управление И Системни Изследвания Прибан
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2009-01-30
Also published as: BG65952B1

Abstract

The semiconductor magnetosensitive element comprises a semiconductor pad (1) with mixed-type conductivity, electricity generator (5), a trimmer (6) coupled thereto, external magnetic field (7), the mid-point of the trimmer (6) being one of the output contacts. The semiconductor pad (1) is in the form of an isosceles acute-angled triangle with the smallest angle being against its base. On each of the apexes of the triangular pad (1) there is formed an ohmic contact (2, 3 and 4), two of them (2 and 3) at the base being feed contacts, while the third one (4) lying opposite it is the other output contact. The feed contacts (2 and 3) are connected both to the DC generator (5) and to the trimmer (6). The external magnetic field (7) is applied perpendicularly to the plane of the semiconductor pad (1), while the mid-point of the trimmer (6) and the contact (4) are the differential output (8) of the element.

Description

ПОЛУПРОВОДНИКОВ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЕН ЕЛЕМЕНТSEMICONDUCTOR MAGNETIC SENSITIVE ELEMENT

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАTECHNICAL FIELD

Изобретението се отнася до полупроводников магниточувствителен елемент, приложимо в областта на сензорната електроника, микросистемите, енергетиката, системите за управление, безконтактната автоматика, контролноизмервателната технология и слабополевата магнитометрия, автомобилостроенето, позиционирането на обекти в пространството, военното дело и др.The invention relates to a semiconductor magnetosensitive element applicable in the field of sensor electronics, microsystems, energy, control systems, contactless automation, control technology and low-field magnetometry, automotive engineering, positioning of objects in space, military affairs, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е полупроводников магниточувствителен елемент, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на • · · 4 * · ··* • ·····» » ·· · ·A semiconductor magnetosensitive element containing a semiconductor substrate with impurity conductivity type is known on one side of • · · 4 * · ·· * • ····· »» ·· · ·

4 4444*44 4444 * 4

4*4* 9 4 4 4· · · която са формирани на равни разстояния един от друг три еднакви правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни - два крайни и са захранващи, а средният е изходен. Двата захранващи контакта са свързани както към генератор на постоянен ток, така и с тример. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка, а диференциалният изход са средният контакт и средната точка на тримера, [1].4 * 4 * 9 4 4 4 · · · which are formed at equal distances from each other by three equal rectangular ohmic contacts located parallel to their long sides - two ends and are power and the middle one is output. The two power outlets are connected to both a DC generator and a trimmer. The external magnetic field is applied perpendicular to the cross section of the semiconductor substrate, and the differential output is the mean contact and the midpoint of the trimmer, [1].

Недостатък на този полупроводников магниточувствителен елемент е ниската магниточувствителност, тъй като изходното напрежение съставлява само половината от целия генериран в елемента сигнал.The disadvantage of this semiconductor magnetosensitive element is the low magnetosensitivity, since the output voltage is only half of the total signal generated in the element.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОSUMMARY OF THE INVENTION

Задача на изобретението е да се създаде полупроводников магниточувствителен елемент с повишена магниточувствителност.It is an object of the invention to provide a semiconductor magnetosensitive element with an increased magnetosensitivity.

Тази задача се решава с полупроводников магниточувствителен елемент, ф съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост и с форма на равнобедрен остроъгълен триъгълник, като срещу основата му се намира наймалкия ъгъл. На всеки от върховете на тази триъгълна полупроводникова подложка е формиран по един омичен контакт като двата контакта при основата са захранващи, а срещулещащият на нея е изходният. Захранващите контакти са свързани както към генератор на постоянен ток, така и с тример. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на равнината на полупроводниковата подложка, а диференциалният изход на елемента са срещулежащият на основата контакт и средната точка на тримера.This problem is solved by a semiconductor magnetosensitive element, u containing a semiconductor substrate of impurity type and in the form of an isosceles acute-angled triangle, with the smallest angle opposite its base. At each of the vertices of this triangular semiconductor substrate, an ohmic contact is formed, the two contacts at the base being power supply and the opposite one at the base. The power sockets are connected to both a DC generator and a trimmer. The external magnetic field is applied perpendicular to the plane of the semiconductor substrate, and the differential output of the element is opposite to the base contact and the midpoint of the trimmer.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност вследствие съществената плътност на допълнителните електрически товари, генерирани в магнитно поле в зоната с най-малкия ъгъл на триъгълната полупродникова подложка.An advantage of the invention is the high magnetic sensitivity due to the substantial density of the additional electric loads generated in a magnetic field in the area with the smallest angle of the triangular semiconductor support.

По-подробно изобретението се пояснява с приложената фигура 1, представляваща едно негово примерно изпълнение.The invention is explained in more detail with the accompanying figure 1, which is an exemplary embodiment thereof.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОEXAMPLES FOR THE IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Полупроводниковият магниточувстителен елемент съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост и с форма на равнобедрен остроъгълен триъгълник, като срещу основата му се намира наймалкия ъгъл. На всеки от върховете на тази триъгълна полупроводникова подложка е формиран по един омичен контакт 2, 3 и 4 като двата контакта 2 и 3 при основата са захранващи, а срещулещащият 4 на нея е изходен. Захранващите контакти 2 и 3 са свързани както към генератор на постоянен ток 5, така и с тример 6. Външното магнитно поле 7 е приложено перпендикулярно на равнината на полупроводниковата подложка 1, а диференциалният изход 8 на елемента са срещулежащият на основата контакт 4 и средната точка на тримера 6.The semiconductor magnetosensitive element comprises a semiconductor substrate 1 with impurity conductivity and an isosceles acute-angled triangle, with the smallest angle opposite to its base. At each of the vertices of this triangular semiconductor substrate, one ohmic contact 2, 3 and 4 is formed, with both contacts 2 and 3 at the base being feeder, and the opposing 4 at its base. The supply contacts 2 and 3 are connected to both the DC generator 5 and the trimmer 6. The external magnetic field 7 is applied perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1, and the differential output 8 of the element is opposite to the base contact 4 and the midpoint on the trimmer 6.

·♦ • · · · · · ··· • ··♦··· · · · · · · • · ··»*··· ····· ·· « ···· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Действието на полупроводниковия магниточувствителен елемент, съгласно изобретението, е следното.The action of the semiconductor magnetosensitive element according to the invention is as follows.

При включване на генератора на постоянен ток 5, през двата захранващи контакта 2 и 3 при основата на триъгълната полупроводникова подложка 1 протича ток /₂,з от основни носители. За предпочитане са полупроводници с /7-тип примесна проводимост като w-GaAs, w-InSb, /?-1пР, /?-Si и др., поради високата стойност на подвижността μ_η на електроните, респективно на дрейфовата им скорост E_dr>n, в сравнение с р-тип носителите (дупките) т.е. K_dr,_n = - » Κΐι-._Ρ = /ζ_ρ£_2ι3, където 1ф_Г1П и F_dr,p са дрейфовите скорости съответно на електроните и на дупките в електрическото поле Е^, създадено от тока/₂₁₃.When the DC generator 5 is switched on, current / ₂ , 3 from the main carriers flows through the two power contacts 2 and 3 at the base of the triangular semiconductor substrate 1. Semiconductors with / 7-type impurity conductivity, such as w-GaAs, w-InSb, /? - 1pr, /? - Si, etc., are preferable because of the high mobility value μ _η of the electrons, respectively, of their drift velocity E _{dr > n} , compared to p-type carriers (holes) ie. K _dr , _n = - »Κΐι-. _Ρ = / ζ _ρ £ _2ι3 , where _{1f D1P} and F _dr , p are the drift velocities of electrons and holes respectively in the electric field E ^ created by current / ₂₁₃ .

Прилагането на външно магнитно поле В 7, перпендикулярно на равнината на подложката 1, води до странично, в равнината й, отклонение от силата на Лоренц F_L ⁼ qFdr,n х В на движещите се електрони, където q е товарът па електрона, другите обозначения са вече известни. Тази дефлекция е към зоната с най-малкия ъгъл на елемента или в противоположната посока - към основата на равнобедрената триъгълна подложка 1. В резултат се натрупват допълнителни © електрически товари с противоположен знак Q и Q⁺ в тези две области и възниква ефект на Хол. Стойността и посоката на линейното и нечетно електрическо поле на Хол Е\\ ~ Е^В, развиващо се между зоната на контакт 4 и основата на триъгълната структура 1 компенсира отклоняващото действие на силата на Лоренц FL върху електроните. Освен ефекът на Хол, в полупроводниквия елемент съществува и магнитосъпротивление (геометричен магниторезистивен ефект) - квадратично и четно от полето В 7 нарастване на съпротивлението R₂₃ между захранващите контакти 2 и 3, R₂.₃(B) ~ В. В триконтактни магниточувствителни елементи само с един изходен (Холов) контакт 4, регистрираното напрежение Кн4 съставлява половината от цялия Холов сигнал Х_н, генериран в подложката 1, т.е. Иц₄(В) - 0.5К_и(В). Освен напрежението Гн4(В), върху изходния контакт 4 се индуцира и магниторезистивно квадратично напрежение Емм(В) ~ В², което в нашия случай е паразитно и съществено редуцира точността на измерване. Чрез вариране стойностите на двете резистивпи О рамена на тримера 6, включен между контакти 2 и 3 се постигат два важни резултата. От една страна се компенсира паразитния офсет т.е. нулира се диференциалния изход 8 в отсъствие на полето В 7, = 0) = 0. От друга, при нулиран изход 8 стойността на напрежението върху средната точка на тримера 6, генерирано от магнитосъпротивлението съвпада със сигнала Имк₄(Б) върху контакт 4, предизвикан също от магнитосъпротивлението. Тъй като изходът 8 на триконтактния сензор е диференциален (контакт 4 и средната точка на тримера 6) паразитното в нашия случай магнитосъпротивление се компенсира напълно и не оказва смущаващо влияние върху метрологичното напрежение И₁₁₄(В). Ето защо тримерът 6 е задължителен компонент в полупроводниковия магниточувствителен елемент.The application of an external magnetic field B 7 perpendicular to the plane of the substrate 1 results in a lateral, in its plane, deviation from the Lorentz force F _L ⁼ qFdr, n x B of moving electrons, where q is the electron load, the other notation are already known. This deflection is towards the area with the smallest angle of the element or in the opposite direction - towards the base of the isosceles triangular substrate 1. As a result, additional © electric loads with opposite signs Q and Q ⁺ accumulate in these two regions and a Hall effect occurs. The value and direction of the linear and odd Hall electric field E evolving between the area of contact 4 and the base of the triangular structure 1 compensates for the deflection effect of the Lorentz force FL on the electrons. In addition to the Hall effect, there is also a magnetoresistance (geometric magnetoresistive effect) in the semiconductor element - quadratically and evenly in field B 7, an increase in the resistance R ₂₃ between the supply contacts 2 and 3, R ₂ . ₃ (B) ~ VV trikontaktni magnetic-sensitive elements with a single output (living room) contact 4, the registered voltage KH4 constitutes half of cholic The whole signal X _n, generated in the substrate 1, i.e. Its ₄ (B) - 0.5K _and (B). In addition to the voltage Gn4 (B), magnetoresistive quadratic voltage Emm (B) ~ B ² is induced on the output terminal 4, which in our case is parasitic and significantly reduces the measurement accuracy. By varying the values of the two resistors O of the trimmer arm 6 inserted between pins 2 and 3, two important results are achieved. On the one hand, the offset offset is compensated, ie. reset the differential output 8 in the absence of field B 7, = 0) = 0. On the other hand, at zero output 8, the value of the voltage at the midpoint of the trimmer 6 generated by the magnetic resistance coincides with the signal Imk ₄ (B) on contact 4, also caused by magnetoresistance. Since the output 8 of the three-contact sensor is differential (contact 4 and the midpoint of the trimmer 6), the parasitic resistance in our case is fully compensated for and does not interfere with the metrological voltage I ₁₁₄ (B). Therefore, trimmer 6 is a required component in the semiconductor magnetosensitive element.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение, в сравнение с известния триконтактен полупроводников сензор за магнитно поле, водещ до съществено повишаване на магниточувствителността е нестандартният вид на полупроводниковата подложка 1. Формата й на равнобедрен остроъгълен триъгълник предоставя възможността да се генерира чрез ефекта на Хол • ft ft ft ft ft · · · 9 · ♦ · · • ♦ · · · · i · A · · ·The unexpected positive effect of the new technical solution, compared to the well-known three-contact semiconductor magnetic field sensor, leading to a significant increase in the magnetic sensitivity is the non-standard appearance of the semiconductor substrate 1. Its shape of an isosceles triangular triangle provides the ability to generate ft ft ft ft ft · · · 9 · ♦ · · • ♦ · · · · i · A · · ·

J · 9 9 9 9 9J · 9 9 9 9 9

V V ft 9 9 9 ft ft ft Λ · · нехомогенно разпределение на токоносителите от силата на Лоренц Тъй като количествата на отрицателните Q и на положителните Q* товари, генерирани от ефекта на Хол са винаги равни, | ~ Q'ако граничните зони, в които те са разположени са различни по площ, повърхностната плътност на товарите в тези места също е различна. В нашия случай допълнителните товари при Q' = const и <2⁺ = const от ефекта на Хол върху основата /2>3 на равнобедрената триъгълна структура 1 са разположени на съществено по голяма площ S2>3, в сравнение с тази при контакт 4 S4, S2;3 » S4. По тази причина плътността на товарите върху зоната с по-малка ефективна площ S4 ще бъде значително по-висока. Същевременно тези две части на необичайния по форма магниточувствителен елемент могат да се разглеждат като страни на кондензатор с капацитет С = Q/V, където V е потенциалът на съответната гранична повърхност (зоната при контакт 4 или основата /2>3) по отношение на средната точка на тримера 6. Съгласно израза за капацитета С на кондензатор е в сила съотношението Q/V ~ S Id*, където S* е ефективната площ на съответната страна на кондензатора (елемента на Хол), a d* е ефективното разстояние между зоната при контакт 4 и повърхността на основата на структурата 1. При фиксирани стойности на товара Q = const и разстоянието <7 = const, резултиращият потенциал, в нашия случай половината от Ходовото напрежение 0.5 Рц, е по-висок именно в областта, където е по-голяма плътността на товарите, т.е. при контакт 4, ИндСВ) ^>:> ИН2>3(В). Следователно чрез формата на подложката 1 като равнобедрен остроъгълен триъгълник се постига силно различаващи се по площ области, върху които се развива ефекта на Хол. Следователно значително по-висок е Холовия потенциал Е_Н4(В) върху контакта 4, а от тук и магниточувствителността на сензора.VV ft 9 9 9 ft ft ft Λ · · non-homogeneous distribution of Lorentz current carriers Since the quantities of negative Q and positive Q * loads generated by the Hall effect are always equal, | ~ Q'if the boundary zones in which they are located are different in area, the surface density of the loads in these places is also different. In our case, the additional loads at Q '= const and <2 ⁺ = const by the Hall effect on the base / 2> 3 of the isosceles triangular structure 1 are located on a substantially larger area S2> 3, compared to that at contact 4 S4 , S2; 3 »S4. Therefore, the density of loads on the area with a smaller effective area S4 will be significantly higher. At the same time, these two parts of an unusually magnetically sensitive element can be considered as sides of a capacitor with capacity C = Q / V, where V is the potential of the respective boundary surface (contact area 4 or base / 2> 3) with respect to the mean trimmer point 6. According to the capacitor C capacitor expression, the ratio Q / V ~ S Id * is valid, where S * is the effective area of the respective side of the capacitor (Hall element), ad * is the effective distance between the contact area 4 and the surface of the base structure 1. With fixed values of load Q = const and distance <7 = const, the resultant potential, in our case half of the running voltage of 0.5 Rz, is higher precisely in the region where the load density is higher, i. . at contact 4, IndSB) ^>:> IN2> 3 (B). Therefore, the shape of the pad 1 as an isosceles angled triangle achieves vastly differing areas over which the Hall effect develops. Therefore, the Hall potential E _H4 (B) at pin 4, and hence the sensor's magnetic sensitivity, is much higher.

Проведените експерименти с ц-тип силициеви магниточувствителпи елементи, съгласно изобретението, потвърдиха значително по-висока магниточувствителност, в сравнение с известното решение. Предпочитаната технология за реализиране на новия полупроводников магниточувствителен елемент е интегралната, и преди всичко CMOS и микромашининг процеси. Нестандартно високи стойности на чувствителността се очакват ако се използват за подложка 1 полупроводници с рекордна подвижност от групата A^IHB^V като H-GaAs, н-InSb, н-InP и др.Experiments with the µ-type silicon magnetosensitive elements according to the invention have confirmed a significantly higher magnetosensitivity than the known solution. The preferred technology for implementing the new semiconductor magnetosensitive element is the integral, and above all CMOS and micromachining processes. Nonstandardly high values of sensitivity are expected if used for substrate 1 with semiconductors with record mobility in the group A ^IH B ^V such as H-GaAs, n-InSb, n-InP and others.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРА [1] Ch.S. Roumenin, S.V. Lozanova, “Three-contact parallel-field Hall devices - the sensors with minimal design complexity”, Proc, of the 20th European Conf, on SolidState Sensors, Actuators and Microsystems, EUROSENSORS XX, 2006, pp. 212-213.REFERENCES [1] Ch.S. Roumenin, S.V. Lozanova, “Three-contact parallel-field Hall devices - sensors with minimal design complexity”, Proc, of the 20th European Conf, on SolidState Sensors, Actuators and Microsystems, EUROSENSORS XX, 2006, pp. 212-213.

Claims

1. A semiconductor magnetosensitive element comprising a semiconductor conductor with impurity type conductor, a current generator with a trimmer included, the midpoint of which is a single output contact, and an external magnetic field, characterized in that the semiconductor support (1) is of the form on an isosceles triangular triangle, with the smallest angle opposite its base, at each of the vertices of the triangular base (1) an ohmic contact (2), (3) and (4) are formed by both (2) and ( 3) at the base are the feeders, and the opposing one is different their output contact (4), the supply contacts (2) and (3) are connected to both the DC generator (5) and the trimmer (6), the external magnetic field (7) is applied perpendicular to the plane of the semiconductor substrate (1) and the differential output (8) of the element are the midpoint of the trimmer (6) and the contact (4).