BG111487A - Елемент на хол с паралелна ос на чувствителност - Google Patents

Abstract

Елементът на Хол с паралелна ос на чувствителност съдържа полупроводникова подложка (1) с примесна проводимост, върху едната страна на която са последователно формирани успоредно на дългите си страни пет правоъгълни омични контакта (2, 3, 4, 5 и 6), един от тях е централният (4) и спрямо него симетрично са разположени двойките контакти (2 и 6) и съответно (3 и 5), токоизточник (8), като магнитното поле (12) е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката (1), като изход (13) на елемента са контактите (3 и 5). Контактите (2 и 6) са съединени с двата извода на тример (7), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника (8), другият извод на който е съединен с контакта (4), двете части от повърхността на подложката (1), разположени между централния контакт (4) и контакти (2 и 6), и обхващащи изцяло вътрешните контакти (3 и 5) са покрити с диелектричен слой (9), върху който от двете страни на контакта (4) е нанесен съответно още по един метален слой (10 и 11). Частта от повърхността с диелектричния (9) и металния (10) слой, разположена между контактите (2 и 4) е свързана непосредствено с четвъртия контакт (5). Частта от съответната повърхност с диелектричен (9) и метален (11) слой, намираща се между контактите (4 и 6) е съединена непосредствено с контакта (3).

Description

ЕЛЕМЕНТ НА ХОЛ С ПАРАЛЕЛНА ОС НА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в пространството, системното инженерство, включително биоинженерството, безконтактната автоматика, микро- и нанотехнологиите, биомедицинските изследвания, енергетиката и енергийната ефективност, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг пет право^бГъТШи омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни като един от тях е централен и спрямо него симетрично от двете му дълги страни са разположени останалите четири - два от които са външни, а другите два - вътрешни. Външните контакти са съединени с единия извод на токоизточник, другият извод на който е свързан с централния контакт. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти като вътрешните контакти са изходът на елемента на Хол, [1,2,3].

Недостатък на този елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност е ограничената преобразувателна ефективност (чувствителността), поради използване за изходен сигнал само напрежението на Хол, генерирано върху повърхността на подложката между централния и двата крайни контакти, регистрирано с вътрешните контакти.

Недостатък е също наличието на паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат от неминуема електрическа асиметрия, породена от геометрична асиметрия в разположението на контактите спрямо централния както и неминуеми технологични несъвършенства.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде елемент на Хол с паралелна ос на магниточувствителност с повишена преобразувателна ефективност и компенсиран офсет.

Тази задача се решава с микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, всичките разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт е централен и от двете му дълги страни са разположени симетрично двойките контакти - първи и пети, и съответно втори и четвърти. Първият и петият контакти са съединени с двата извода на тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт. Двете части от повърхността на подложката, симетрично разположени между централния и крайните контакти и обхващащи изцяло вътрешните - вторият и четвъртият контакти са покрити с диелектричен слой, върху който от двете страни на централния контакт е нанесен още по един метален слой. Тази част от повърхността с диелектричния и металния слой, разположена между първия и централния контакт е свързана непосредствено електрически с четвъртия контакт, а частта от съответната повърхност с диелектричен и метален слой, намираща се между централния и петия контакт е съединена непосредствено електрически с втория контакт. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти като изход на елемента на Хол са вторият и четвъртият контакти.

Предимство на изобретението е повишената* щйббразувателна ефективност (чувствителност) в резултат от допълнително генерираните електрически товари в магнитно поле до съответните изходни контакти от така формираните и електрически свързани гейтове върху двете части от повърхността между централния и крейните контакти по аналогия с механизма на действие на полевите MOS транзистори.

Предимство е също възможността за пълно компенсиране (нулиране) на паразитното изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсетът) чрез вариране съпротивлението на тримера.

Предимство е още пълната технологичната съвместимост с планарната технология, използвана при производството на интегрални схеми в микроелектрониката, което позволява едновременна реализация върху един и същ чип на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност и обработващата изходния му сигнал интерфейсна електроника.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на двете приложени фигури, където Фигура 1 представлява напречното му сечение и Фигура 2: елементът на Хол - поглед от горе.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Елементът на Хол с паралелна ос на чувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно пет правоъгълни омични контакти - първи 2, втори 3, трети 4, четвърти 5 и пети 6, всичките разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт 4 е централен и от двете му дълги страни са разположени симетрично двойките контакти - първи 2 и пети 6, и съответно втори 3 и четвърти 5. Първият 2 и петият 6 контакти са съединени с двата извода на тример 7, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточник 8, другият извод на който е съединен с централния контакт 4. Двете части от повърхността на подложката 1, симетрично разположени между централния 4 и крайните контакти 2 и 6, и обхващащи изцяло вътрешните контакти - вторият 3 и четвъртият 5 са покрити с диелектричен слой 9, върху който от двете страни на централния контакт (4) е нанесен още по един метален слой 10 и 11. Тази част от повърхността с диелектричния 9 и металния 10 слой, разположена между първия 2 и централния 4 контакт е свързана непосредствено електрически с четвъртия контакт 5, а частта от съответната повърхност с диелектричен 9 и метален 11 слой, намираща се между централния 4 и петия 6 контакт е съединена непосредствено електрически с втория контакт 3. Магнитното поле 12 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката 1 и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2, 3, 4, 5 и 6 като изход 13 на елемента на Хол са вторият 3 и четвъртият 5 контакти.

Действието на елемента на Хол с паралелна ос на чувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на централния контакт 4 към единия извод на токоизточника 8, а другият към средната тбЧкана тримера 7, който е съединен с контакти 2 и 6, в подложката 1 в областите между контакти 2 и 4, и съответно 4 и 6 протичат компонентите /2,4 и на захранващия ток Ц, ефективните траектории на които са криволинейни. Те стартират от централния контакт 4 и завършват върху крайните контакти 2 и 6. Захранващите контакти 2, 4 и 6 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 12 токовите линии Ь, Ц и А, са винаги перпендикулярни. Ефективните траектории на тока /2,4 и в останалата част в обема на подложката 1 са успоредни на горната й страна. Важна особеност е, че посоките на токове /2,4 и /4,6 са противоположни като Ц = |- /₂,4| + Л,6· Предвид така избраната структурна симетрия на омичните контакти 2, 3, 5 и 6 по отношение на централния 4, траекториите на двете компоненти /2.4 и/_4>6 на захранващия ток 1₄ са също симетрични спрямо контакта 4.

Включването на магнитното поле В 12, перпендикулярно на напречното сечение на подложката 1, води до възникване в равнината на сечението на странично отклоняващи движещите се електрони в двете криволинейни траектории /₂,4 и /_4>6 сили на Лоренц Fl = (?Vdr^х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните. В резултат на тази Лоренцова дефлекция в повърхностните зони, там където са разположени изходните контакти 3 и 5, се генерират допълнителни електрически товари от ефекта на Хол, Фигура 1 и Фигура 2. Това води до поява на напрежение на Хол Уз,5(В) на изхода 13 в магнитно поле В12. ’

Така формираните гейтове, съдържащи диелектричен 9 и метални 10 и 11 слоеве, Фигура 2, свързани накръстно с двата изходни контакти 3 и 5, т.е. 10-5 и 11-3 позволяват допълнително генериране на електрически товари чрез добре известния ефект на полето в полевите (MOS) транзистори. При така осъщественото електрическо свързване на изходните контакти 3 и 5 с двата гейта 9-10 и 9-11, в съответните интерфейсни зони между подложката 1 и диелектричния слой 9 се индуцират в магнитно поле В 12, аналогично на MOS транзисторите, допълнителни към тези от Хол ефекта електрически товари. Там, където при интерфейса полупроводникова подложка 1-диелектрик 9 се образува чрез ефекта на Хол обедняване от подвижни носители, именно в тази област се осъществява още по-силно обедняване от свързването на съответния гейт с изходнен контакт 3 (или 5), т.е. съществува положителна обратна връзка. Ако при интерфейса подложка 1-диелектрик 9 има от ефекта на Хол обогатяване с подвижни електрони, концентрацията на електроните ще нарасте още повече. В резултат на този механизъм магниточувствителността на елемента на Хол с паралелна ос на чувствителност нараства съществено в сравнение с известното решение, описано в [1-3].

Неминуемият офсет на изхода 13 в отсъствие на магнитно поле В 12 (В = 0) лесно се компенсира (нулира) = 0 с изменение стойността на съпротивлението чрез тримера г 7 в съответните вериги, включващи контакти 3 и 5.

Технологичната реализация на новия микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност е на основата на силициевите интегрални микроелектронни процеси като MOS, CMOS или BiCMOS, използвайки силициеви подложки и преобразувателна зона с л-тип проводамПст. В този случай диелектричният слой 9 е силициев диоксид SiO₂, а метални слоеве 10 и 11 може да са алуминиеви А1. Омичните контакти 2, 3, 4, 5 и 6 се реализират, например, с йонна имплантация и са силно легирани и⁺-области в n-Si подложка 1. Тези планарни технологии позволяват едновременното формиране на елемента на Хол върху общ чип заедно с интерфейсната схемотехника за обработка и нормиране на изходния сензорен сигнал. Допълнително увеличение на чувствителността се постига чрез формиране на дълбок ринг с р - тип проводимост, ограждащ достатъчно близко омичните контакти 2, 4 и 6. Така драстично се редуцира разтичането на захранващия ток Ц по повърхността на подложката 1 и посоката на доминиращата част от движещите се токоносители е перпендикулярна на магнитния вектор В 12. Това води до по-съществено латерално отклонение на електроните от силата на Лоренц F_L и до по-висока преобразователна ефективност. За да се предотврати евентуално твърде силно нарастване на концентрацията на подвижните товари (електроните) под съответния гейт от подадения върху него Холов потенциал, което би влошило действието на елемента на Хол, следва да се избере подходяща дебелина d_m на диелектричния слой 9. По аналогия с принципа на плоския кондензатор, при фиксирано върху гейтовия електрод 10 или 11 Холово напрежение = const със съответната полярост, колкото по-дебел е диелектричният слой 9, разположен между металния електрод 10 или 11 и полупроводниковата подложка 1, толкова по-малко е количеството електрически товари q в интерфейсната зона, q ~ Следователно чрез параметъра d_ox може технологично да се управлява чувствителността на елемента на Хол.

Неочакваният положителен ефект на техническото решение е възможността чрез оригиналната сензорна конструкция, съдържаща два гейтови електрода, свързани накръстно с изходните контакти 3 и 5, допълнително да се увеличат електрическите товари чрез ефекта на полето, характерен за полевите MOS транзистори. Фактически ефектът на Хол и ефектът на полето в новото решение действат съпосочно за увеличаване на преобразувателната ефективност на елементите на Хол.

ПРИЛОЖЕНИЕ: две фигури

ЛИТЕРАТУРА

[1] R.S. Popovic, “The vertical Hall-effect device”, IEEE Electron Device Letters, 5 (1984) pp. 357-358.

[2] R. Popovic, K. Solt, J.-L. Berchier “Buried Hall element”, US Patent 4 673 964/16.06.1987.

[3] Ch. Roumenin, Slid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, 1994.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, всичките разположени успоредно на дългите си страни като третият контакт е централен и спрямо него симетрично са разположени по двойки първият и петият и съответно вторият и четвъртият, токоизточник, магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на контактите като изход на елемента на Хол са вторият и четвъртият контакти, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че първият (2) и петият (6) контакти са съединени с двата извода на тример (7), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника (8), другият извод на който е съединен с централния контакт (4), двете части от повърхността на подложката (1), симетрично разположени между централния (4) и крайните контакти (2) и (6), и обхващащи изцяло вътрешните - вторият (3) и четвъртият (5) контакти са покрити с диелектричен слой (9), върху който от двете страни на централния контакт (4) е нанесен още по един метален слой (10) и (11), тази част от повърхността с диелектричния (9) и металния (10) слой, разположена между първия (2) и централния (4) контакт е свързана непосредствено електрически с четвъртия контакт (5), а частта от съответната повърхност с диелектричен (9) и метален (11) слой, намираща се между централния (4) и петия (6) контакт е съединена непосредствено електрически с втория контакт (3).