BG67250B1 - Полупроводниково устройство на хол - Google Patents

Abstract

Полупроводниковото устройство на Хол съдържа три еднакви полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа (1), втора (2) и трета (3), и токоизточник (4). Върху едната страна на всяка от подложките (1, 2 и 3) на равни разстояния един от друг са формирани съответно по три правоъгълни омични контакти, успоредно на дългите си страни - първи (5, 6 и 7), втори (8, 9 и 10), и трети (11, 12 и 13), като вторите контакти (8, 9 и 10) са централни, а първите (5, 6 и 7) и третите (11, 12 и 13) са симетрични спрямо тях. Единият извод на токоизточника (4) е съединен с централния контакт (9) на втората подложка (2), а другият - с първия контакт (5) на първата подложка (1) и с третия контакт (13) на третата (3). Третият контакт (11) на първата подложка (1) е свързан с първия контакт (6) на втората (2), третият контакт (12) на която е съединен с първия контакт (7) на третата подложка (3). Диференциалният изход (14) на устройството на Хол са вторите контакти (8 и 10) на първата (1) и третата (3) подложка, като измерваното магнитно поле (15) е успоредно на равнините на подложките (1, 2 и 3) и на дългите страни на контактите (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до полупроводниково устройство на Хол, приложимо в областта на сензориката, роботиката включително в роботизираната и минимално инвазивната хирургия, квантовата комуникация, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, безпилотните летателни апарати, машиностроенето, контролно-измервателната техника, слабополевата магнитометрия, електромобилите и хибридните превозни средства, енергетиката, системите за сигурност с изкуствен интелект и военното дело, контратероризма включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известно е полупроводниково устройство на Хол, съдържащо две еднакви полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани по пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третите контакти са централни, като първите и петите и съответно вторите и четвъртите са симетрични спрямо тях. Всички първи и пети контакти са свързани помежду си. Вторият контакт от първата подложка е съединен с четвъртия от втората, а четвъртият контакт от първата - с втория контакт от втората подложка. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт от първата подложка. Диференциалният изход на устройството на Хол са двата централни контакта, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите [1-4].

Недостатък на това полупроводниково устройство на Хол е понижената му измервателна точност поради съществения офсет (паразитното изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле) в резултат на многобройните контакти, които трябва да са симетрични спрямо двата централни контакти, но по технологични причини - неминуеми несъвършенства в легирането, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения най-често от метализацията и корпусирането на чипа, температурни градиенти и др., тази симетрия практически не се постига в достатъчна степен.

Недостатък е също усложнената конструкция на устройството, съдържащо десет контакта с общо шест връзки между тях и токоизточника, която ограничава технологичната реализация посредством интегралните микроелектронни технологии.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде полупроводниково устройство на Хол с повишена измервателна точност чрез намаляване на паразитния офсет и да е с опростена конструкция чрез редуциране броя на контактите и връзките между тях.

Тази задача се решава с полупроводниково устройство на Хол, съдържащо три еднакви полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа, втора и трета и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките на равни разстояния един от друг са формирани съответно по три правоъгълни омични контакти, успоредно на дългите си страни - първи, втори и трети като вторите контакти са централни, а първите и третите са симетрични спрямо тях. Единият извод на токоизточника е

BG 67250 Bl съединен c централния контакт на втората подложка, а другият - с първия контакт на първата подложка и с третия контакт на третата. Третият контакт на първата подложка е свързан с първия контакт на втората, третият контакт на която е съединен с първия контакт на третата подложка. Диференциалният изход на устройството на Хол са вторите контакти на първата и третата подложка като измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е опростената конструкция, съдържаща общо девет, вместо десет омични контакта и само три, вместо шест връзки между тях.

Предимство е също повишената магниточувствителност в резултат на допълнителното напрежение на Хол, генерирано между първия и третия контакт на втората подложка, което чрез схемното решение е приложено към първата и третата подложка, повишавайки по този начин диференциалния сигнал на изхода на устройството.

Предимство е още увеличената измервателна точност в резултат на нарасналата чувствителност и минимизирания паразитен офсет на изхода чрез непосредствените връзки на трите двойки контакти, изравняващи потенциалите в подложките и подобряващи електрическата симетрия спрямо изходните контакти.

Предимство е и повишената резолюцията при измерване на минималната магнитна индукция в резултат на високото ниво сигнал/шум, в резултат на минимизирания офсета на изхода и повишената чувствителност.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1, представляваща напречното сечение на полупроводниковото устройство на Хол.

Пример за изпълнение на изобретението

Полупроводниковото устройство на Хол съдържа три еднакви полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа 1, втора 2 и трета 3 и токоизточник 4. Върху едната страна на всяка от подложките 1, 2 и 3 на равни разстояния един от друг са формирани съответно по три правоъгълни омични контакти, успоредно на дългите си страни - първи 5, 6 и 7, втори 8, 9 и 10, и трети 11, 12 и 13, като вторите контакти 8. 9 и 10 са централни, а първите 5, 6 и 7 и третите 11, 12 и 13 са симетрични спрямо тях. Единият извод на токоизточника 4 е съединен с централния контакт 9 на втората подложка 2, а другият - с първия контакт 5 на първата подложка 1 и с третия контакт 13 на третата 3. Третият контакт 11 на първата подложка 1 е свързан с първия контакт 6 на втората 2, третият контакт 12 на която е съединен с първия контакт 7 на третата подложка 3. Диференциалният изход 14 на устройството на Хол са вторите контакти 8 и 10 на първата 1 и третата 3 подложка като измерваното магнитно поле 15 е успоредно на равнините на подложките 1, 2 и 3 и на дългите страни на контактите 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13.

Действието на полупроводниковото устройство на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на централния контакт 9 към единия извод на токоизточника 4, а другият извод - към контакти 5 и 13, в обемите на трите подложки 1, 2 и 3 протичат токовете Β,ι ι, Is.6, Ь,12 и Ь.в. В подложка 2 поради структурната симетрия токът 1₉ от контакт 9 се разделя на две равни и противоположно насочени компоненти b = k + | In |, фигура 1. В резултат на свързването на планарни контакти 11 и 6 както 12 и 7, в подложки 1 и 3 протичат

BG 67250 Bl също противоположно насочени токове Iit.s и -Ьлз· Траекториите на електроните и в трите подложки 1, 2 и 3 са криволинейни, тъй като в отсъствие на магнитно поле В 15 омичните планарни контакти 5. 11, 6, 9, 12, 7 и 13, през които протичат захранващите компоненти са еквипотенциални равнини. Ето защо токовите линии първоначално са насочени вертикално към обема на подложките 1, 2 и 3, след което променят посоката си и в определен участък са успоредни на горните равнини на подложки 1, 2 и 3. Най-общо дълбочината на проникване w на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращата донорна примес No в п-тип подложките 1, 2 и 3 зависи от съотношението М между ширината /| на контакти 5, 11,6, 9. 12. 7 и 13, и разстоянията h между тях, М = Uh [4-6]. Максималната дълбочина w при най-често използваната в микроелектрониката концентрация на легиращи донорни примеси Nd = 10¹⁵ cm'³ в Si съставлява около w = 30 - 40 pm. Същевременно подложка 2 с контакти 6, 9 и 12 представлява добре известният триконтактен микросензор на Хол. Този клас равнинно-магниточувствителни елементи на Хол са познати в литературата още като сензори на Руменин-Лозанова, [4, 6-10]. Товарните резистори, които обикновено се включват в крайните електроди 6 и 12, [7], в случая са вътрешните съпротивления Rs.ii и съответно R?,i3- Тези резистори Rs,и и R713 обуславят на сензора на Хол от подложка 2 работен режим генератор на ток. Тези съпротивления са с еднакви поради структурната симетрия на конфигурацията от фигура 1. Обикновено на диференциалния изход 14, формиран от средните контакти 8 и 10. в отсъствие на външно магнитно поле В 16, присъства несвързано с магнитната индукция В 16 паразитно напрежение или офсет. Неговото минимизиране в нашия случай се осъществява чрез иновативното решение от фигура 1. Непосредствените връзки на трите двойки контакти 5-13, 11-6 и 12-7 окъсяват паразитните офсетпотенциали в полупроводниковите подложки 1, 2 и 3 спрямо потенциала на изходните контакти 8 и 10. Такава възможност отсъства в известното решение.

При наличие на външно магнитно поле В 15 в триконтактните микросензори на Хол, формиране с подложки 1, 2 и 3 токовите компоненти 1₅.п, Ь,б, Ь,12 и Ь.и са подложени на отклоняващото странично действие на силите на Лоренц Fl.>, като върху крайните електроди би 12 на подложка 2 се генерира напрежение на Хол Унб,1г(В). Произходът му е в резултат на избраното свързване на подложките 1 и 3 с подложка 2, т. е. от съпротивленията R5,и и R?. 13. Тези съпротивления трансформират измененията на токовете А1б(В) и ΔΙΐ2(Β) в поле В 15 в напрежение на Хол Vh6, 12(B). Тъй като съотношението М е оптимизирано, сигналът Vh6, 12(B) е максимален и се генерира от захранващия ток Ь. В двата триконтактни микросензора на Хол, реализирани на подложки 1 и 3 потенциалите на Хол Vhs(B) върху контакт 8 и - Vhio(B) върху контакт 10 са равни по стойност, но са с противоположен знак Vhs(B) = | -Vhio(B) |. Напрежението на Хол Vhs.io(B) на изхода 14 се създава от две компоненти. Първата е свързана с противоположното отклонение на токовите траектории под действие на силите на Лоренц в подложки 1 и 3 в зоните, където са изходните контакти 8 и 10. Втората е в резултат на холовите линейни потенциали Унб(В) и VhiiCB) върху контакти 6 и 12 на подложка 2. Чрез новото схемно решение полярно се променят потенциалите на двете подложки 1 и 3 - например, на едната 1, нараства, а на другата 3, намалява с една и съща стойност. Иновативността на така осъщественото свързване на първата и втората и съответно на втората и третата подложка е, че винаги към холовите потенциали на изходните контакти 8 и 10 се добавят допълнителни потенциали със същата полярност, каквато се генерира от ефекта на Хол в първата и третата подложка. По този начин напрежението Vh6, 12(B),

BG 67250 Bl генерирано в подложка 2 се добавя към изходния сигнал Vh8,io(B) = V_out(B) 14 на устройството на Хол. Следователно изходното диференциално напрежение V_out (В) 14 е почти удвоено, т. е.

магниточувствителността на равнинно-магниточувствителното устройство на Хол, изградено чрез подложките 1, 2 и 3 е съществено по-висока. Освен това то е опростено - съдържа девет контакта, вместо десет, а връзките са само три.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция и нестандартното свързване на контактите 5 - 13, 11 - 6 и 12 - 7 на трите структури 1, 2 и 3. Чрез така осъществената функционална интеграция магниточувствителността нараства значително, офсетът е драстично редуциран, подобрено е отношението сигнал/шум, и метрологичната точност. Едновременно с това се повишава резолюцията за детектиране на минималната магнитна индукция В_п11п 15.

Полупроводниковото устройство на Хол се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг микроелектронни технологии, като трите преобразувателни зони 1, 2 и 3 представляват дълбоки п-тип силициеви джобове с дълбочина около 6-7 pm. Омичните контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 са силно легирани п⁺ области, формирани с епитаксия и дълбочина около 1 pm. Микросистемата на Хол може да функционира в широк температурен интервал, включително при криогенна среда, което драстично повишава чувствителността. За още по-висока преобразувателна ефективност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, подложките (п-тип силициевите джобове) 1, 2 и 3 могат да се разположат между два еднакви концентратора на полето В 16 от ферит или р-метал. На основата на новото сензорно решение може да се изграждат 2D и 3D магнитометри.

Claims (10)

1. Полупроводниково устройство на Хол. съдържащо две еднакви полупроводникови подложки е п-тип примесна проводимост, разположени успоредно и токоизточник, върху едната страна на всяка от подложките са разположени последователно правоъгълни омични контакти, успоредно на дългите си страни, като измервано магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, характеризиращо се с това, че има още една полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, еднаква с останалите и успоредна на тях, като подложките са съответно - първа (1), втора (2) и трета (3). като върху едната страна на всяка от тях са формирани на равни разстояния по три от правоъгълните контакти - първи (5), (6) и (7), втори (8), (9) и (10). и трети (11), (12) и (13), като вторите контакти (8), (9) и (10) са централни, а първите (5), (6) и (7) и третите (11), (12) и (13) контакти са симетрични спрямо тях, като единият извод на токоизточника (4) е съединен с централния контакт (9) на втората подложка (2), а другият - с първия контакт (5) на първата подложка (1) и с третия контакт (13) на третата подложка (3), като третият контакт (11) на първата подложка (1) е свързан с първия контакт (6) на втората подложка (2), третият контакт (12) на която е съединен с първия контакт (7) на третата подложка (3), а диференциалният изход (14) на устройството на Хол са вторите контакти (8) и (10) на първата (1) и третата (3) подложка.

Приложение: 1 фигура

Литература

1. 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.

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

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

4. 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: 0-8155-14972.

5. C. Sander, M.-C. Vecchi, M. Cornils, O. Paul, From three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset, Sens. Actuat., A 240 (2016) pp. 92-102.

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

7. Ч.С. Румения, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, Авт. свид. № BG 37208 В1/26.12.1983.

8. Ch.S. Roumenin, Bipolar magnetotransistor sensors - An invited review, Sensors and Actuators, A 24 (1990) 83105.

9. Ch.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.

10. Ch.S. Roumenin, Magnetic sensors continue to advance towards perfection, Invited paper, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995) 273-279.