BG66552B1

BG66552B1 - Полупроводников елемент на хол

Info

Publication number: BG66552B1
Application number: BG110983A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Сия ЛОЗАНОВА
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2016-10-31
Also published as: BG110983A

Abstract

Полупроводниковият елемент на Хол съдържа полупроводникова подложка с n-тип проводимост, върху една от страните на която са формирани централен омичен контакт (2), а на разстояния и симетрично на него още по един краен омичен контакт (3 и 4). Двете зони, разположени от външните страни на крайните контакти (3 и 4), са с форма на остроъгълни равнобедрени триъгълници, които са с еднаква площ и на чиито остри върхове има по един омичен контакт (5 и 6). Тези зони са симетрични спрямо централния контакт (2). Двата крайни контакта са съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт, а магнитното поле е приложено перпендикулярно на равнината на подложката, като контактите (5 и 6) върху острите върхове на триъгълните зони са Холовият изход (9) на сензора.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до полупроводников елемент на Хол, приложимо в областта на микро- и нано-електрониката, сензориката, безконтактната автоматика, уредостроенето, енергетиката, електротехниката, военното дело, медицината, системите за сигурност, контролно-измервателната технология, слабополевата и многомерната векторна магнитометрия и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е полупроводников елемент на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип проводимост, върху една от страните на която са формирани централен омичен контакт, на разстояния и симетрично на него са разположени последователно още по един вътрешен омичен контакт и по един външен омичен контакт. Двата външни контакта са съединени и през токоизточник са свързани с централния. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на равнината на подложката като двата вътрешни контакта са Ходовият диференциален изход на елемента [1, 2].

Известен е също полупроводников елемент на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип проводимост, върху една от страните на която са формирани централен омичен контакт, на разстояния и симетрично на него са разположени последователно още по един вътрешен омичен контакт и по един външен омичен контакт. Двата вътрешни контакта са съединени и през токоизточник са свързани с централния. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на равнината на подложката като двата външни контакта са Ходовият диференциален изход на елемента [3,4].

Известен е още и полупроводников елемент на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип проводимост, върху една от страните на която са формирани последователно и на разстояния четири омични контакта - първи, втори, трети и четвърти. Първият и третият контакт са свързани през токоизточник, магнитното поле е приложено перпендикулярно на равнината на подложката, а вторият и четвъртият контакт са

Ходовият диференциален изход на елемента [5].

Недостатък на тези полупроводникови елементи на Хол е изчерпаният капацитет от възможности за повишаване на магниточувствителността им чрез: оптимизиране на геометричните размери на съответните приборни конструкции; минимизиране на окъсяващите напрежението на Хол ефекти от разположението на омичните контакти; подходящи за целта технологични методи и процеси; използване на полупроводникови материали с висока подвижност на токоносителите, т.е. с ниска концентрация на електроните; приложение на концентратори на магнитното поле от магнитномеки сплави и среда на криогенни температури.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде полупроводников елемент на Хол с повишена магниточувствителност чрез управление на повърхностната плътност на генерираните в магнитно поле допълнителни токоносители върху Ходовите повърхности, определяща стойността на Ходовото напрежение.

Тази задача се решава с полупроводников елемент на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип проводимост, върху една от страните на която са формирани централен омичен контакт, а на разстояния и симетрично на него - още по един външен омичен контакт. Двете зони, разположени между централния и външните контакти са с форма на остроъгьлни равнобедрени триъгълници и са с еднаква площ, на чиито остри върхове има по един омичен контакт. Триъгълните зони са симетрични спрямо централния контакт. Двата външни контакта са съединени и през токоизточник са свързани с централния. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на равнината на подложката като контактите върху острите върхове на триъгълните зони са Ходовият диференциален изход на елемента.

Тази задача се решава също с полупроводников елемент на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип проводимост, върху една от страните на която са формирани централен омичен контакт, а на разстояния и симетрично на него още по един краен омичен контакт. Двете зони, разположени от външните страни на крайните контакти са с форма на остроъгьлни

66552 Bl равнобедрени триъгълници и са с еднаква площ, на чиито остри върхове има по един омичен контакт. Триъгълните зони са симетрични спрямо централния контакт. Двата външни контакта са съединени и през токоизточник са свързани $ с централния. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на равнината на подложката като контактите върху острите върхове на триъгълните зони са Ходовият диференциален изход j θ на елемента.

Тази задача се решава още и с полупроводников елемент на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип проводимост, върху една от страните на която са формирани на разстояние 15 два захранващи омични контакта. Зоните, разположени съответно между тези контакти, и откъм външната страна на единия от тях са с форма на остроъгьлни равнобедрени триъгълници, на чиито остри върхове има по един омичен контакт. Двете триъгълни зони са с еднаква площ и са симетрични спрямо съответния захранващ контакт, разположен между тях. Захранващите контакти са свързани през токоизточник, маг- 25 нитното поле е приложено перпендикулярно на равнината на подложката като контактите върху острите върхове на триъгълните зони са Ходовият диференциален изход на елемента.

гт и 30

Предимство на изобретението е повишената магниточувствителност на полупроводниковия елемент на Хол в резултат на редуцираната площ на областите, върху които се генерират допълнителните електрически товари в магнитно поле, 35 водеща до нарастване на Ходовото напрежение, т.е. на магниточувствителността.

Пояснение на приложените фигури

По-подробно изобретението се пояснява с три негови примерни изпълнения, дадени на 4θ приложените фигура 1, фигура 2 и фигура 3.

Примери за изпълнение на изобретението

Полупроводниковият елемент на Хол, представен на фигура 1 съдържа полупроводникова подложка 1 с п-тип проводимост, върху една 45 от страните на която са формирани централен омичен контакт 2, а на разстояния и симетрично на него - още по един външен омичен контакт 3 и 4. Двете зони, разположени между централния 2 и външните контакти 3 и 4 са с форма на остроъгьлни равнобедрени триъгълници и са с еднаква площ, на чиито остри върхове има по един омичен контакт 5 и 6. Триъгълните зони са симетрични спрямо централния контакт 2. Двата външни контакта 3 и 4 са съединени и през токоизточник 7 са свързани с централния 2. Магнитно поле 8 е приложено перпендикулярно на равнината на подложката 1, като контактите 5 и 6 върху острите върхове на триъгълните зони са Ходовият диференциален изход 9 на елемента.

Полупроводниковият елемент на Хол, представен на фигура 2 съдържа полупроводниковата подложка 1 с п-тип проводимост, върху една от страните на която са формирани централния омичен контакт 2, а на разстояния и симетрично на него - още по един краен омичен контакт 3 и 4. Двете зони, разположени от външните страни на крайните контакти 3 и 4 са с форма на остроъгьлни равнобедрени триъгълници и са с еднаква площ, на чиито остри върхове има по един омичен контакт 5 и 6. Триъгълните зони са симетрични спрямо централния контакт 2. Двата крайни контакта 3 и 4 са съединени и през токоизточника 7 са свързани с централния 2. Магнитното поле 8 е приложено перпендикулярно на равнината на подложката 1, като контактите 5 и 6 върху острите върхове на триъгълните зони са Ходовият диференциален изход 9 на елемента.

Полупроводниковият елемент на Хол, представен на фигура 3 съдържа полупроводниковата подложка 1 с п-тип проводимост, върху една от страните на която са формирани на разстояние двата захранващи омични контакта 2 и 3. Зоните, разположени съответно между тези контакти 2 и 3, и откъм външната страна на единия от тях - 3 са с форма на остроъгьлни равнобедрени триъгълници, на чиито остри върхове има по един омичен контакт 4 и 5. Двете триъгълни зони са с еднаква площ и са симетрични спрямо съответния захранващ контакт 3, разположен между тях. Контактите 2 и 3 са свързани през токоизточник 6, магнитното поле 7 е приложено перпендикулярно на равнината на подложката 1, като контактите 4 и 5 върху острите върхове на триъгълните зони са Ходовият диференциален изход 8 на елемента.

Действието на полупроводниковия елемент на Хол, съгласно изобретението, е следното.

При свързване на централния омичен контакт 2 и съответните крайни контакти 3 и 4 е токоизточника 7 при сензорите от фигура 1 и фигура 2, и двата контакта 2 и 3 с токоизточника

66552 Bl за сензора от фигура 3, в полупроводниковата подложка 1 протичат токове 1₂₃, 1₂₄ и съответно 1₂₃ (фигура 3), чиито траектории са криволинейни. Тъй като захранващите контакти 2, 3 и 4 са $ с ниско съпротивление и представляват еквипотенциални равнини, първоначално токовете 1₂₃, 1_{2 4} и 1_{2 3} са насочени вертикално навътре в обема на подложката 1. След това траекториите стават успоредни на горната страна на подложката 1. 10

Когато се приложи външно магнитно поле

В 8 (при сензорите от фигура 1 и фигура 2), и В 7 (за сензора от фигура 3), възниква силата на Лоренц F. = qV. х В. Тя отклонява латерално “^г 1 <

токовите траектории, при което те се “свиват” или “разширяват”, където V_dr е дрейфовата скорост на електроните, a q е елементарният товар.

В резултат върху страната с омичните контакти 2, 3, 4, 5 и 6 на полупроводниковата подложка ₂θ 1 се генерират допълнително електрически товари - при “свиване” на траекторията нараства плътността на електроните, а при “разтягане” - доминират положителните донорни йони на кристалната решетка поради намаляване кон- 25. центрацията на електроните. При фиксирани посоки на захранващия ток и на магнитното поле В 8 за симетричните спрямо централния контакт 2 сензори от фигура 1 и фигура 2, наляво от контакта 2 траекторията, например, се “свива”, а надясно - тя се “разширява” (токовете 1_{2 3} и -1_{2 4}са противоположно насочени). Следователно в зоната наляво от контакта 2 ще нараства концентрацията на движещите се електрони, а на дясно 3 5 от контакта 2 - ще намалява. За сензора от фигура 3, траекторията на захранващия ток 1_{2 3} се “свива” в областта между захранващите контакти 2 и 3, или се “разширява”, в зависимост от посоките на тока 1₂₃ и магнитното поле В 7. Концентрацията на движещите се токоносители между контактите 2 и 3 нараства, а извън тях, например от дясната страна на контакта 3 концентрацията на електроните намалява. В рамките на известното решение за сензорния елемент, Ходовите контак ти регистрират равнинната плътност на допъл- 45 нителните електрони, променена от действието на силата на Лоренц F_r

В сензориката на ефекта на Хол, обаче не .

е използвано решение, повишаващо магниточувствителностга чрез “немагнитно” управление на повърхностната плътност на допълнителните товари, генерирани от силата F,. От елекгротех никата е добре известно, че потенциалът V на електрически заредена повърхност е функция от площта й S. При фиксирано количество на електрическите товари Q = const, по аналогия с кондензатора, потенциалът V на повърхностната зона е обратно пропорционален на площта S, върху която са разположени тези товари, V ~ 1/S. По отношение сензорите на Хол следва, че колкото е по-малка площта на повърхностната зона, върху която се концентрират допълнителните електрически товари чрез отклоняващата сила на Лоренц, толкова по-висок ще бъде Холовият потенциал и съответно напрежението на Хол V_H. Следователно, управлявайки немагнитно повърхностната плътност на допълнителните товари чрез площта S на съответните зони, където те се разполагат, се открива възможността за повишаване напрежението на Хол V_H, V_H ~ 1/S. В предложените нови решения на трите полупроводникови елемента на Хол (фигура 1, фигура 2 и фигура 3) за първи път като метод за допълнително повишаване на магниточувствителността се използва нарастването на повърхностната плътност на товарите чрез редуцирането на площта S, върху която те са разположени. Избраната форма на остроъгьлни равнобедрени триъгълници на зоните, към които силата на Лоренц F_L отклонява движещите се електрони е най-подходяща, тъй като в посока на острия им връх ефективната площ S_eff силно се редуцира. В резултат именно там се увеличава значително плътността на електроните, и като следствие нараства напрежението на Хол V_H. По тази причина върху тези остри върхове се разполагат Ходовите контакти 5 и 6 (за сензорите от фигура 1 и фигура 2) и Холовите контакти 4 и 5 (за сензора от фигура 3).

Неочакваният положителен ефект на предложеното техническо решение е следствие от оригиналната Холова конструкция - триъгълната форма на зоните с Ходови контакти, влияеща върху плътността на товарите и повишаваща напрежението V_H(B) на съответните изходи 8 и 9.

Проведените експерименти с прототипи на дискретни силициеви елементи на Хол, съгласно фигура 1, фигура 2 и фигура 3 показват, че при еднакви условия - една и съща температура, полупроводников материал, геометрични размери, захранващ ток и стойност на магнитната индукция, новите решения генерират около 18 %

66552 Bl по-висока магниточувствителност от известните сензори. Новата разновидност на преобразувател на Хол може да се реализира и с интегрална силициева технология, например BiCMOS, CMOS или микромашининг. $

Claims

Патентни претенции

1. Полупроводников елемент на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип проводимост, върху една от страните на която 'θ са формирани централен омичен контакт, а на разстояния и симетрично на него още по един външен омичен контакт, двата външни контакта са съединени и през токоизточник са свързани с централния, а магнитното поле е приложено перпендикулярно на равнината на подложката, характеризиращ се с това, че двете зони, разположени между централния (2) и външните (3 и 4) контакти са с форма на остроъгьлни равнобедре- 20 ни триъгълници с еднаква площ, на чиито остри върхове е разположен по един омичен контакт (5 и 6), а триъгълните зони са симетрични спрямо централния контакт (2), като контактите (5 и 6) върху острите върхове на триъгълните зони са Холовият диференциален изход (9) на елемента.

2. Полупроводников елемент на Хол съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че двете зони с форма на остроъгьлни равнобедрени 30 триъгълници и с еднаква площ, на чиито остри върхове има по един омичен контакт (5 и 6) са разположени от външните страни на крайните контакти (3 и 4), като те са симетрични спрямо централния контакт (2).

3. Полупроводников елемент на Хол съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че двете зони с форма на остроъгьлни равнобедрени триъгълници, които са с еднаква площ и на чиито остри върхове има по един омичен контакт (4 и 5) са разположени съответно между захранващите контакти (2 и 3) и откъм външната страна на единия от тях (3), като те са симетрични спрямо разположения между тях захранващ контакт (3).