Einrichtung mit einem Hall-Element Im Hauptpatent ist eine Einrichtung mit einem Hallelement beschrieben, das aus einem Halbleiter material hoher Trägerbeweglichkeit besteht, welches dem Feld einer Magnetfeldanordnung ausgesetzt ist und ausser einem Paar Stromelektroden ein Paar Hallelektroden zur Abnahme der Hauspannung auf weist. Die Hallelektroden sind in der Mitte zweier Seitenflächen des Halbleiterkörpers angeordnet.
Fer ner ist die eine der Zuleitungen in Richtung auf den Anschlusspunkt der andern Hauelektrode isoliert über dem Halbleiterkörper geführt und dann mit der zum andern Anschlusspunkt führenden Zuleitung weiter geführt, das Ganze derart, dass in dem mit den Hall elektroden verbundenen Stromkreis durch einen zeit lich veränderlichen Fluss der Magnetfeldanordnung keine Spannung induziert wird.
Die vorliegende Er findung betrifft eine besonders vorteilhafte Ausgestal tung einer solchen Einrichtung und besteht darin, dass der über dem Halbleiterkörper liegende Teil der Zuleitung aus einem Material besteht, das in Verbindung mit den Elektrodenanschlüssen die gleiche Thermokraft besitzt wie der Hallspannungserzeuger. Hierbei wird man für den über dem Halbleiterkörper liegenden Teil der Zuleitung zweckmässig dasselbe Material wählen wie für den Hallspannungserzeuger. Dient also als Hallspannungserzeuger beispielsweise ein Haugenerator aus Indiumarsenid,
so möge auch der über dem Halbleiterkörper liegende Teil der Zu leitung aus Indiumarsenid bestehen.
Fig. 1 zeigt beispielsweise einen Hallgenerator, auf dessen Halbleiterschicht 1 aus Indiumarsenid die beiden Elektroden 2 und 3 für die Zuführung des primären Steuerstromes sowie die beiden Elektroden 6 und 7 für die Abnahme der Hallspannung befestigt sind. Wie im Hauptpatent ist die an die Abnahme stelle 6 der Hallspannung führende Zuleitung in Richtung auf die andere Abnahmestelle 7 isoliert über dem Halbleiterkörper liegend herausgeführt.
Dabei besteht der über dem Halbleiterkörper liegende Teil 10 der Zuleitung wie der Haugenerator aus Indiumarsenid. Der Vorteil einer derartigen Aus bildung der Hallspannungszuführung besteht in der Kompensation von Thermospannungen, die bei Ver wendung des Hallgenerators in magnetischen Feldern mit hohen Temperaturgradienten unter Umständen in der Grössenordnung der zu messenden Hauspan nung auftreten können.
Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Hallgenerator zur Messung der Tangentialfeldstärke eines magnetischen Körpers auf der Oberfläche dieses Körpers angeordnet wird und die Temperatur dieses Körpers von der Umgebungs temperatur abweicht. Die Wärmeableitungsverhält- nisse an den Anschlussstellen der Hallelektroden sind dann sehr verschieden, so dass die beiden Anschluss stellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen kön nen.
Um eine ungleiche Erwärmung der einander gegen überliegenden Hallzuleitungsanschlüsse an der der Messstelle abgewandten kalten Lötstelle 7 zu ver meiden, ist es bei gleichem Wärmeleitwert vorteilhaft, wenn der über dem Halbleiterkörper liegende Teil der Zuleitung annähernd die gleiche Masse besitzt wie der Halbleiterkörper selbst. Weist der über dem Halbleiterkörper liegende Teil der Zuleitung an nähernd die gleichen Abmessungen wie der Halb leiterkörper auf, kann dieser selbst als Hallspannungs- erzeuger ausgebildet werden.
Fig. 2 zeigt schematisch einen solchen Hallspan- nungserzeuger, bei dem der über dem Halbleiter körper liegende Teil der Zuleitung selbst als Hall spannungserzeuger ausgebildet ist. Man erkennt wiederum die Halbleiterschicht 1 des Hallgenerators mit den beiden Elektroden 2 und 3 für die Zuführung des primären Steuerstromes, sowie die beiden Elek- troden 6 und 7 für die Abnahme der Hallspannung. Der über dem Halbleiterkörper liegende Teil 10 ist in diesem Falle selbst als Hallgenerator ausgebildet und besitzt seinerseits eine aktive Schicht<B>101,
</B> zwei Steuerstromelektroden 102 und 103 sowie die beiden Hallspannungselektroden 106 und 107. Zur_ Ver anschaulichung ist der zweite Haugenerator 10 er heblich über dem ersten Hallgenerator dargestellt. Der Abstand zwischen dem obern und dem untern Haugenerator ist in Wirklichkeit lediglich durch die Stärke der zwischen den beiden Hallgeneratoren er forderlichen Isolationsschicht bedingt. Um uner wünschte Querströme zu vermeiden, kann es vorteil haft sein, die Steuerstromkreise der beiden Hall generatoren galvanisch voneinander zu trennen.
Wer den nun beispielsweise die Steuerstromelektroden 2 und 103 an den positiven Pol jeweils einer Spannungs quelle und die Elektroden 3 und 102 an den zugehö rigen negativen Pol angeschlossen, so sind beide Hallgeneratoren zwar in derselben Richtung von dem Magnetfeld beeinflusst,
jedoch in verschiedener Rich tung von dem Steuerstrom durchflossen. Infolgedessen ergibt sich beispielsweise an dem untern Hallgenerator eine Hauspannung in Richtung von der Hallelektrode 7 auf die Hauelektrode 6 und in dem obern Hall generator eine Hauspannung in Richtung von der Hallelektrode 106 zur Hallelektrode 107. Bei der an gegebenen Schaltung sind somit die beiden Hall spannungen in Reihe geschaltet, während die Thermo- spannungen nach wie vor entgegengeschaltet sind.
Während also bei der vorgeschlagenen Anordnung eine annähernd verdoppelte Hallspannung erreicht ist, werden die Thermospannungen kompensiert. Neben einer Steigerung der Empfindlichkeit hat diese An ordnung den Vorteil, die Eigenfeldstörungen . bei Tangentialkomponentenmessungen zu vermeiden.
Statt die Steuerelektroden 102 und 103 so an Spannungsquellen anzuschliessen, dass sich die beiden Hallspannungen addieren, kann für besondere Fälle ein derartiger Anschluss vorteilhaft sein, dass sich die Hallspannungen subtrahieren. Dadurch erhält man beispielsweise eine Einrichtung, mit der unmittelbar der Sektorgradient eines magnetischen Feldes ge messen werden kann. Der Abstand der beiden Hall generatoren ist durch den konstruktiven Aufbau eindeutig festgelegt.
Es kann somit durch die be schriebene Einrichtung die Differenz zwischen der Stärke des Feldes an der Stelle des einen Hallgene- rators gegenüber der Stärke des Feldes an der Stelle des andern Hallgenerators gemessen werden. Die angezeigte ffallspannungsdifferenz ist dann unmittel bar dem Feldgradienten proportional.
Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, die beiden Haugeneratoren gegeneinander zu isolieren. Um die Stabilität der Hallgeneratoren zu erhöhen, Ver krümmungen zu vermeiden und dergleichen, wurde bereits vorgeschlagen, die aktive Schicht des Hall- generators, z.B. das Indiumarsenidplättchen, auf einem versteifenden Isolierkörper zu befestigen. Je nach dem Verwendungszweck kann für den Isolier- körper ein sinterkeramisches oder ein ferritisches Material verwendet werden.
Es ist nun möglich, zwei normale, etwa mit einer Sinterkeramikschicht ver sehene Haugeneratoren so miteinander zu verkleben, dass die Sinterkeramikseiten aufeinanderliegen. In vielen Fällen, beispielsweise bei Geräten zur Messung des Gradienten magnetischer Felder, wird es jedoch zur Herabsetzung der Bauhöhe vorteilhaft sein, nur einen Isolierkörper zu verwenden und die beiden Hallgeneratoren auf den gegenüberliegenden Seiten dieses Isolierkörpers anzuordnen.
Wenn an den beiden Anschlussstellen der Zu leitungen noch eine derartig hohe Übertemperatur gegenüber der Umgebungstemperatur herrscht, dass diese beiden Lötstellen trotz ihrer engen räumlichen Nachbarschaft unterschiedliche Temperaturen an nehmen können, so kann es für Feinstmessungen vorteilhaft sein, an beiden Hallelektroden Leitungen anzuschliessen, die zumindest auf dem dem Hau generator zugewandten Teil aus demselben Material bestehen wie das Hauplättchen.
Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Hall spannungserzeugers ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei ist angenommen, dass, wie in den Fig. 1 und 2, die über dem Halbleiterkörper liegende Zuleitung seinerseits ebenfalls als Hallspannungserzeuger ausgebildet ist und die Steuerströme der beiden übereinander an geordneten Hallspannungserzeuger so gerichtet sind, dass sich die beiden Hallspannungen addieren.
Es sind wiederum -die beiden Hauplättchen mit 1 und 101 und die Anschlusselektroden mit 2 und 3 bzw. 102 und 103 bezeichnet. 6 und 7 bzw. 106 und 107 sind die Hallelektroden, von denen die Elektroden 6 und 106 miteinander verbunden sind.
Werden auch die Elektroden 3 und 103 miteinander verbunden und wird der Steuerstrom Js entsprechend den eingetra genen Pfeilen durch die Elektroden 2 und 102 ge führt, so erhält man an den Elektroden 7 und 107 eine Hauspannung von annähernd der doppelten Grösse der Hallspannungen der einzelnen Hallplätt- chen. Diese beiden Hauelektroden 7 und 107 liegen sehr dicht nebeneinander und werden weitgehend dieselbe Temperatur aufweisen, so dass eine Thermo- spannung nicht auftreten kann. Ist jedoch das Tem peraturgefälle zwischen den Elektroden 6 und 7 bzw.
106 und 107 sehr gross, so werden auch die Elektroden 7 und 107 Temperaturen annehmen, die über der Umgebungstemperatur liegen. Infolge äusserer Ein flüsse, wie beispielsweise Konvektion, können dabei zwischen den beiden Elektroden 7 und 107 Tempe raturdifferenzen in der Grössenordnung bis zu einigen Grad Celsius auftreten. Bei Anschluss von Kupfer leitungen an die Hallelektroden können aber - ins besondere bei Verwendung von halbleitenden Ver bindungen der Form AIIIBv - so grosse Thermokräfte auftreten, dass bei Feinmessungen, insbesondere bei der Messung kleiner Felder das Messergebnis störend beeinflusst werden kann.
Um dies zu vermeiden, be stehen die an die beiden Elektroden angeschlossenen Leitungen 7a und 107a auf dem dem Haugenerator zugewandten Teil 7b bzw. 107b aus demselben Mate rial wie das Hauplättchen. Die Länge dieser Teile 7b bzw. 107b ist naturgemäss abhängig von den Temperaturverhältnissen. Sie werden zweckmässig so lang gewählt, dass die Anschlussstellen der Leitungen <I>7a</I> an<I>7b</I> und 107a an 107b so weit auf gleicher Tem peratur gehalten werden können, dass eventuell ver bleibende Temperaturdifferenzen und damit verbun dene Thermospannungen keine Beeinträchtigungen des Messergebnisses zur Folge haben können.