BG113027A - Елемент на хол - Google Patents

Abstract

Елементът на Хол съдържа токоизточник (1) и правоъгълна полупроводникова подложка (2) с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакта - първи (3), втори (4), трети (5), четвърти (6) и пети (7). Третият контакт (5) е централен, като първият (3) и петият (7), и съответно вторият (4) и четвъртият (6) контакт са симетрични спрямо него. Откъм дългите страни на втория (4) и четвъртия (6) контакт, в близост и на равни разстояния до тях има по една дълбока p-тип зона (8), равна на дължината им. Първият (3) и вторият (4), както четвъртият (6) и петият (7) контакт са разположени близко един до друг. Изводите на токоизточника (1) са съединени с втория (4) и четвъртия (6) контакт. Първият (3) и петият (7) контакт са свързани, като общата точка и централният контакт (5) са диференциален изход (10) на елемента на Хол. Измерваното магнитно поле (10) е успоредно на равнината на подложката (2) и на дългите страни на контактите (3, 4, 5, 6 и 7).

Description

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до елемент на Хол, приложимо в областта на роботиката, включително роботизираната и минимално инвазивната хирургия; квантовата комуникация; сензориката; безконтактното измерване на линейни и ъглови премествания; слабополевата магнитометрия; квантовата генетика; военното дело и системите за сигурност с изкуствен интелект; безпилотните летателни апарати; геодинамиката и сеизмиката; електромобилите и хибридните превозни средства; космическите изследвания и технологии; машиностроенето и автоматизацията на производството; контратероризма в това число подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция; навигацията и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е елемент на Хол, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост. Върху едната страна на подложката последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрично разположени спрямо него. Единият извод на токоизточника е свързан с централния, а другият - едновременно с първия и петия контакт. Диференциалният изход на елемента са вторият и четвъртият контакт като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, [1- 10].

Недостатък на този елемент на Хол е ниската преобразувателна ефективност (магниточувствителността) поради: 1.) хоризонталното протичане на доминираща част от захранващия ток през зоните на изходните контакти, планарно разположени едновременно със захранващите върху една и съща повърхност на подложката, което окъсява метрологичното напрежение на Хол, и 2.) действието на магнитното поле чрез отклоняващата сила на Лоренц върху хоризонталния ток е незначително, докато чувствителността се генерира от вертикалната към повърхността на подложката токова компонента, която е несъществена.

Недостатък е също понижената измервателна точност в резултат на ниската чувствителност и повишеното ниво на собствения (фликер) 1/f шум, респективно редуцираното отношение сигнал/шум от преминаването на значителна част от хоризонталната компонента на захранващия ток през зоните на изходните (Холовите) контакти.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде елемент на Хол с висока чувствителност и повишена измервателна точност.

Тази задача се решава с елемент на Хол, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрични спрямо него. Първият и вторият както четвъртият и петият контакт са разположени близко един до друг. Откъм дългите страни на втория и четвъртия контакт, в близост и на еднакви разстояния до тях има по една дълбока зона с р-тип примесна проводимост, равна на дължината им. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт.

Първият и петият контакт са съединени като общата точка и централният контакт са диференциалният изход на елемента, а измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на: 1.) силно редуцираните магнитнонеуправляеми хоризонтални компоненти на захранващия ток в приповърхностната област на подложката от формираните дълбоки д-тип зони откъм дългите страни на втория и четвъртия контакт, ориентиращи перпендикулярно спрямо повърхността на подложката протичането на захранващия ток в обема й, и 2.) близко разположените първи и пети контакт на елемента до захранващите втори и четвърти допълнително спомага за по-високи стойности на Холовите потенциали, генерирани в магнитно поле от вертикалните токови компоненти.

Предимство е също нарастналото отношение сигнал/шум в резултат на повишената магниточувствителност и редуцирания собствен (фликер) Ι/f шум чрез конструкцията, минимизираща с дълбоките д-тип зони, ограждащи втория и четвъртия контакт преминаването на хоризонталните компоненти на захранващия ток през зоните на изходните първи, трети и пети контакти.

Предимство е и повишената резолюцията при измерване на минималната магнитна индукция 5_mi_n поради увеличеното отношение сигнал/шум чрез високата чувствителност и редуцирания (фликер) Ι/f шум.

Предимство освен това е и нарастналата измервателна точност поради високата чувствителност и редуцирания Ι/f шум.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Елементът на Хол съдържа токоизточник 1 и правоъгълна полупроводникова подложка 2 с н-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи 3, втори 4, трети 5, четвърти 6 и пети 7. Третият контакт 5 е централен като първият 3 и петият 7, и съответно вторият 4 и четвъртият 6 контакти са симетрични спрямо него. Първият 3 и вторият 4, както четвъртият 6 и петият 7 контакт са разположени близко един до друг. Откъм дългите страни на втория 4 и четвъртия 6 контакт, в близост и на еднакви разстояния до тях има по една дълбока зона 8 с р-тип примесна проводимост, равна на дължината им.

Изводите на токоизточника 1 са свързани с втория 4 и четвъртия 6 контакт. Първият 3 и петият 7 контакт са съединени като общата точка и централният контакт 5 са диференциалният изход 9 на елемента, а измерваното магнитно поле 10 е успоредно на равнината на подложката 2 и на дългите страни на контакти 3, 4, 5, 6 и 7.

Действието на елемента на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на контакти 4 и 6 към токоизточника 1, в областите на подложката 2 под тях протичат две равни и с противоположен знак компоненти /₄ и - /₆ на захранващия ток /_{4 6}, |Д| = |-Д|. Омичните контакти 4 и 6 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 10, В = 0, компонентите /₄ и - /₆ през тях са перпендикулярни спрямо горната страна на подложката 2, прониквайки дълбоко в обема й. Токът /_{4 б} в останалата част от обема, под зоната на централния контакт 5 е успореден на горната страна на структурата 2. Следователно токовата траектория /_4>6 е криволинейна. Оградените захранващи контакти 4 и 6 е дълбоки р-тип зони 8, които са със същата дължина като дългите им страни драстично ограничават протичане на хоризонтални токови компоненти по повърхността на подложката 2. Обикновено, съобразно използваната силициева технология, дълбочината на р-тип зоните 8 може да достига до около 15 μιη. В резултат проникването w на токовите линии /₄₆ при концентрация на легиращата донорна примес N_D в н-тип Si, N_D = n_Q ~ 10 cm' съставлява около w ~ 30 pm.

При наличие на външно магнитно поле В 10, В ψ θ, успоредно на подложката 2 и контакти 3, 4, 5, 6 и 7 възниква странична дефлекция на вертикалните токови компоненти /₄ и /₆ под контакти 4 и 6, генерирана от силата на Лоренц F^ = gV_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се електрони. Ето защо върху горната равнина на подложката 2, в зоните със симетрично разположените електроди 3 и 7 се генерират Холови потенциали ± Е_Нз(^) и ± V^B). Важна особеност е, че тези потенциали са с един и същ знак като електрически и конструктивно са еквивалентни. Ето защо контакти 3 и 4 са свързани непосредствено и общата им точка формира единия терминал на изхода 9, Фигура 1. В резултат на Лоренцовото отклонение от силата F_Ld, в зависимост от посоките на тока 4,6 и на магнитното поле В 10, нелинейната траектория /₄,₆ се “свива” или “разширява”. По тази причина върху централния контакт 5, който е другият изходен терминал на елемента се генерира също Холов потенциал - Vh5(®), обаче противоположен по знак на потенциалите Е_Ш(Л) и Vh₇(B)· В съответствие с проведения анализ на действието на равнинночувствителния елементи на Хол от Фигура 1, преобразувателната му ефективност S ще нараства ако целият захранващ ток /₄₆ тече перпендикулярно спрямо повърхността в зоните на контакти 4 и 6, а регистриращите контакти 3 и 7 са близко разположени до тях. За целта крайните контакти 3 и 7, определящи единия изходен терминал са разположени близко до захранващите 4 и 6. В новото решение р-тип зоните 8 дефинират вертикалните магнитноуправляеми компоненти Ц и /₆ на тока 1^, /₄ = /₆ = /_4)б. Допълнително нарастващо въздействие върху преобразувателната ефективност S оказва и откритият неотдавна магнитноуправляем повърхностен ток в полупроводниците, [11]. Всичко това в своята синергия води до съществено увеличение на магниточувствителностга S, респективно на измервателната точност. Предвид драстично ограниченото протичане на повърхностен ток през зоните на изходните контакти 3, 5 и 7, собственият (фликер) 1// шум е редуциран. В резултат на значителната чувствителност S и ниското ниво на шума 1 // съществено е увеличено отношението сигнал/шум на изхода V_H(^) = ^3,5,7(^) 9. Ето защо резолюцията за детектиране на минималната магнитна индукция B_min рязко нараства. Описаните положителни фактори водят и до повишаване на важната сензорна характеристика измервателна точност (чрез високата чувствителност и редуцирания фликер Ι/f шум).

Неочакваният положителен ефект на техническото решение от Фигура 1 е оригиналната му конструкция, дефинираща вертикално протичане на магнитноуправляемия ток. Постигнати са висока чувствителност и отношение сигнал шум чрез модифициране единствено на структурата на елемента без усилване на изходния сигнал или допълнителна схемотехника. Така надградената с нови компоненти конфигурация притежава безспорни достойнства, отсъстващи в известното решение. Така е повишен значително перформансът на микросензора на Хол.

Най-подходящи за реализацията на новия елемент са CMOS, BiCMOS или микромашининг технологии като преобразувателната зона представлява дълбок п-тип Si правоъгълен джоб 2. Функционирането на предложения микропреобразувател е възможно в широк температурен интервал АГ. включително в криогенна среда. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия, сеизмиката или контратероризма, преобразувателят може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 10 от ферит или μ-метал. Развитието на елемента на Хол позволява създаване на негова основа на многофункционални двумерни 2D и тримерни 3D микросистеми за прецизно измерване на магнитния вектор В(В_Х, В_у, В^.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, “Numerical modeling of vertical Hall-effect devices”, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) pp. 482-484.

[2] [3] R.S. Popovic, “The vertical Hall-effect device”, IEEE Electron Device Letters, EDL-5(9) (1984), pp. 357-358.

[3] R. Popovic, “Integrated Hall element”, US Patent 4 782 375/01.11.1988.

[4] Ch. Roumenin, “Solid State Magnetic Sensors”, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.

[5] T. Kaufmann, “On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices”, in “MEMS Technology and Engineering”, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147; ISBN: 978-3-86247-374-8.

[6] Ch. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Ch. 9, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.

[7] S. Oh, D. Hvang, H. Chae, ,,4-Contact structure of vertical-type CMOS Hall device for 3-D magnetic sensor”, IEICE Electronics Express, 16 (4) (2018) pp. 1-8.

[8] S. Lozanova, C. Roumenin, Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journ., 9(7) (2009) pp. 761-766.

[9] C. Sander, M.-C. Vecchi, M. Cornils, O. Paul, „From three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset”, Sensors and Actuators, A 240 (2016) pp. 92-102.

10] C.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) pp. 77-87.

[11] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators, A 175 (2012) pp. 47-52.

Claims (1)

1. Елемент на Хол, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, третият контакт е централен, а първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрични спрямо него, измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че откъм дългите страни на втория (4) и четвъртия (6) контакт, в близост и на еднакви разстояния до тях има по една дълбока зона (8) с р-тип примесна проводимост, равна на дължината им, първият (3) и вторият (4) както четвъртият (6) и петият (7) контакт са разположени близко един до друг, изводите на токоизточника (1) са съединени с втория (4) и четвъртия (6) контакт, първият (3) и петият (7) контакт са свързани като общата точка и централният контакт (5) са диференциалният изход (10) на елемента на Хол.