BG66404B1

BG66404B1 - Полупроводников елемент на хол с паралелна ос на чувствителност

Info

Publication number: BG66404B1
Application number: BG10110505A
Authority: BG
Inventors: SiyaЛОЗАНОВА Сия Lozanova; ЧавдарRoumenin CHavdar РУМЕНИН
Original assignee: Institout Po Oupravlenie I Sistemni Izsledvaniya PИНСТИТУТ ПО УПРАВЛЕНИЕ И СИСТЕМНИ ИЗСЛЕДri Ban ВАНИЯ ПРИ БАН
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2013-12-31
Also published as: BG110505A

Abstract

Полупроводниковият елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност съдържа полупроводникова подложка (1) с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно три правоъгълни омични контакта - първи (2), втори (3) и трети (4), разположени успоредно на дългите си страни. Първият (2) и третият (4) контакт са крайни, а вторият (3) е вътрешен. Магнитното поле (8) е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката (1). Вторият контакт (3) и един от крайните контакти (4) през съответни товарни резистори (5 и 6) и източник на напрежение (7) са съединени с другия краен контакт (2). Изходът (9) е вторият (3) и крайният контакт (4), който е свързан с товарен резистор (6).

Description

Изобретението се отнася до полупроводников елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност, приложимо в областта на контролноизмервателната технология, слабополевата магнитометрия, навигацията, микро- и наносензориката, автомобилостроенето, безжичните комуникации, безконтактната автоматика и управление, енергетиката, позиционирането на обекти в пространството, уредостроенето, медицината, военното дело и сигурността и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е полупроводников елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третият контакт са крайни и са съединени както със захранващ източник в режим генератор на ток, така и с два последователно свързани помежду си резистори. Вторият контакт е вътрешен и е изходен (Холов). Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка и е успоредно на дългите страни на правоъгълните омични контакти, а изходът са Холовия контакт и общата точка на свързване на двата резистора [1].

Недостатък на този полупроводников елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност е ниската магниточувствителност, тъй като от изхода може да се снеме само половината от цялото напрежение на Хол, генерирано в този преобразувателен елемент.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде полупроводников елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност с висока стойност на магниточувствителността.

Тази задача се решава с полупроводников елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третият контакт са крайни, а вторият е вътрешен. Вторият контакт и един от крайните контакти през съответни товарни резистори и източник на напрежение са съединени с другия краен контакт. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка и успоредно на дългите страни на правоъгълните омични контакти, а изходът са вторият и третият краен контакт, свързан с товарния резистор.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с приложената фигура, представляваща напречното сечение на едно негово примерно изпълнение.

Примери за изпълнение на изобретението

Полупроводниковият елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти първи 2, втори 3 и трети 4, разположени успоредно на дългите си страни. Първият 2 и третият 4 контакти са крайни, а вторият 3 е вътрешен. Вторият контакт 3 и един от крайните контакти 4 през съответни товарни резистори 5 и 6 и източник на напрежение Ί са съединени с другия краен контакт 2. Външното магнитно поле 8 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1 и успоредно на дългите страни на правоъгълните омични контакти 2,3 и 4, а изходът 9 са вторият контакт 3 и крайният контакт 4, свързан с товарния резистор 6.

Действието на полупроводниковия елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност, съгласно изобретението, е следното.

При включване на източника на напрежение

7, между крайния (трети) контакт 4 с включен към него товарен резистор 6 и другият краен (първи) контакт 2, и съответно между втория (вътрешния)

66404 Bl контакт 3 и крайния (първия) контакт 2 без товарен резистор протичат два съпосочни тока 1₄₂ и 1₃,. Понеже омични контакти 2, 3 и 4 са планарни и представляват еквипотенциални равнини, токовете през тях I,, 1₃ и 1₄ първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на подложката 1 и проникват навътре в обема й. След това токовите траектории стават успоредни на повърхността на подложката 1. Например, когато съществува различна по повърхността на полупроводниковата подложка 1 температура Т от протичането на токове 1 и 1 ; наличие на механични напрежения от корпусирането на чипа с елемента на Хол; нанасяне на изолиращи диелектрични покрития, проводящи тънки слоеве или шини върху подложката 1 при технологичните процеси; неминуеми геометрични литографски грешки или толеранси в разположението на омичните контакти 2, 3 и 4; нееднородности в легирането на подложката 1; различната дължина на токовите траектории между контактите 4 и 2, и съответно 2 и 3 и др. двата тока 1₄, и 1,_Ί неминуемо генерират офсет. Това означава, че между вторият 3 и крайният (третият) контакт 4, който е свързан с товарния резистор 6 в отсъствие на магнитно поле В 8, В = 0, на изхода 9 възниква паразитно изходно напрежение V₃₄(B = 0) / 0. Неговото компенсиране (включително нулиране) лесно се постига чрез вариране стойността на един от двата товарни резистори 5 или 6. Фактически променяйки стойностите на двата тока 1_4Л и 1₃, се постига еквипотенциалност на изходните контакти 3 и 4. Резисторите 5 и 6 следва да превишават най-малко с един порядък входното съпротивление на полупроводниковия елемент на Хол. Резисторите 5 и 6 съвместно с източника на напрежение 7 формират фиксираните стойности на двата захранващи тока 1_{4 2} и 1_{3 2}.

Прилагането на външно магнитно поле В 8 перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1 и успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2,3 и 4 чрез силата на Лоренц F_L= qV_dr х В води до отклонение и деформиране като цяло на двата съпосочни тока 1₄, и 1₃,, V_dr е дрейфовата скорост на движение на носителите, q е товарът на електрона. Например, двете траектории на токове 1₄₂ и 1₃,, в зависимост от посоката на магнитното поле В 8 или едновременно се “свиват” към горната повърхност на подложката 1, или едновременно се “разширяват” навътре в обема. В резултат върху горната повърхност на подложката 1, където са разположени вътрешния омичен контакти 3 и третия (външния) 4, магнитното поле В и токовете 1₃ и 1₄генерират едновременно два с противоположен знак Холови потенциали. Освен това токът 1_{4 2}, в часпа от траекторията си, когато е успореден на повърхността на подложката 1 индуцира в зоната с втория (вътрешния) 3 контакт допълнителен Холов потенциал. Следователно, на изхода 9 се развива и се измерва пълното Холово напрежение V₃₄(B), генерирано в сензора, а не само половината от него както е в известното техническо решение. Ето защо магниточувствителността нараства два пъти.

Неочакваният положителен ефект от новия елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност, повишаващ двойно магниточувствителността му в сравнение с известния е, че върху всеки от контактите 3 и 4 на диференциалния изход 9 се формират в магнитно поле В 8 едновременно Холови потенциали с противоположен знак. В известния сензор на Хол, обаче само един контакт реално действа като Холов. В новото решение те са два - 3 и 4. Също така изходните Холови контакти 3 и 4 са един до друг, противно на общо утвърдената практика сензорните и захранващите контакти да се редуват. Това обстоятелство също подпомага получаването на пълното Холово напрежение на изхода 9.

Проведените експерименти с п-тип силициеви елементи на Хол с паралелна ос на чувствителност, съгласно изобретението, доказват нарастването на магниточувствителността два пъти в сравнение с известното решение.

Предпочитаната технология за реализиране на новия микропреобразувател на Хол е CMOS. С успех може да се използва и n-GaAs епитаксиална технология, което драстично повишава чувствителността на микросензора, особено за целите на сигурността и военното дело.

Патентни претенции

Claims

1. Полупроводников елемент на Хол с паралелна ос на чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни, като първият и третият контакт са крайни, а вторият е вътрешен, а магнитното поле е приложено

66404 Bl перпендикулярно на напречното сечение на подложката и успоредно на дългите страни на правоъгълните омични контакти, характеризиращ се с това, че вторият контакт (3) и един от крайните контакти (4) през съответни товарни резистори (5 и 5 6) и източник на напрежение (7) са съединени с другия краен контакт (2), а изходът (9) са вътрешният контакт (3) и крайният контакт (4), който е свързан с товарния резистор (6).

Приложение: 1 фигура