CN1003480B - 具有能在集成电路中集成的霍耳元件的装置 - Google Patents

Abstract

本装置由电流发生器（２１）、霍耳元件（２２）及调节电路（２４至２７）组成，该调节电路用于稳定包括在（２２）中的阻挡层厚度，以保证（２２）的时间及温度稳定性和线性。阻挡层至少从上面覆盖（２２）的有源区。所述调节电路由实际值整形器（２４）、额定值发生器（２５）和额定值／实测值微分器（２６、２７）组成，（２６，２７）由差分放大器（２６）和反相放大器（２７）串联组成。（２４）是绝对值发生器，它包括控制装置（２８）、转换开关（２９）、反相放大器（３０）及电压跟随器（３１）。

Description

具有能在集成电路中集成的霍耳元件的装置

按照权利要求1的前序部分本发明涉及的是，一种具有能在集成电路中集成的霍耳元件的装置。

此种装置使用于，例如：功率表或者电表中来测量电流i_N，或者形成电压/电流的乘积U_N·i_N。在这里U_N表示供电网路的线路电压压，而i_N表示由用户消耗电能的电流。假如霍耳元件求出了磁场H_N的话，因为电流i_N正比于由其所产生的磁场H_N，所以霍耳元件可以间接地测量出电流i_N。因为霍耳元件的输出电压正比于i·H_N的乘积，在这里的i表示霍耳元件的馈电电流。假如霍耳元件借助于一个电阻，该电阻的馈电电流i选择为正比于网路电压U_N，则霍耳元件就构成了电压/电流的乘积U_N·i_N，在这种情况下，霍耳元件需作为四象乘法器进行工作。因为U_N和i_N以及i和H_N是正弦波，所以具有正值和负值。

按照权利要求1的前序部分所述和可集成的纵向霍耳元件已经由出版物“纵向霍耳效应器件R.S.Popovic，电气与电子工程师协会（IEEE）电子器件通讯，EDL-5卷第9号，84年9月，357-358页”公开。可集成的纵向霍耳元件是测量这种磁场H_N的霍耳元件：该磁场平行地作用于集成霍耳元件的表面。

一种按照权利要求1的前序部分所述的可水平集成的霍耳元件，已经由美国US-PS4253107中公布。可水平集成的霍耳元件是测量磁场H_N的，该磁场垂直地作用于集成霍耳元件的表面。

显然，有关霍耳元件的稳定度以及尤其是有关其长时间的稳定度在下列的出版物中仅仅作了少量的、并且仅仅是原理性的公开：“霍耳效应检测器及其在全自动磁场测量系统中的应用”。著者M.W.Poole及R.P.Walker美国电气与电子工程师协会磁学会刊MaG-17卷第5号，81年9月，第2132页。

本发明的任务在于：在采用一种工艺，即允许同时地制造可集成的霍耳元件，以及可集成的晶体三极管的工艺情况下，制造保持长时间稳定的可集成的霍尔元件。

按照本发明上述的任务，通过在权利要求1中特征部分的特征得到解决。

由从属权利要求的特征完成的其它任务是：制造温度稳定的可集成霍尔元件，并且在恒定的，给定的馈电电流i时，使它的特征曲线V_H＝f（B）成为线性的。在此，V_H表示霍尔元件的输出电压，并且B＝μH_N表示待测磁场的磁感应强度。

本发明的实施例已在附图中说明，并在下面详细地描述。

图1表示，可集成的稳定的纵向霍尔元件的俯视图，采用互补金属氧化物半导体工艺（C-MOS）。

图2表示，图1中所述的霍尔元件的垂直断面图。

图3表示，可集成的稳定的纵向霍尔元件的俯视图，采用修改了的CMOS-工艺。

图4表示，图3和图5中所描述的霍尔元件的垂直断面图。

图5表示，一种可集成的、稳定的纵向霍尔元件的水平断面图，采用夹层结构及修改过的CMOS-工艺。

图6表示一种可集成的、稳定的纵向霍尔元件的第一种变型的俯视图，采用修改过的Bi MOS-工艺。

图7表示，图6中所描述霍尔元件的垂直断面图。

图8表示一种可集成的、稳定的纵向霍尔元件的第二种变型的俯视图，来用修改了的Bi MOS-工艺。

图9表示，图8中所描绘的霍尔元件的垂直断面图。

图10表示，双极型晶体三极管的俯视图，采用修改了的Bi MOS-工艺。

图11表示图10中所描绘的双极型晶体三极管的垂直断面图。

图12表示一种可集成的、稳定的水平霍尔元件的俯视图，采用Bi MOS-工艺。

图13表示，图12中所描绘的霍尔元件的垂直断面图。

图14表示一种可集成的、稳定的水平霍尔元件的俯视图，采用修改了的Bi MOS-工艺。

图15表示，图14中所描绘的霍尔元件的垂直断面图。

图16表示一种可集成的纵向霍尔元件的连接电路图，并带有5根引出线。

图17表示，具有一个霍尔元件的装置的方块图。

图18表示当给定馈电电流i时霍尔元件输出电压V_H，作为被测磁感应强度B的函数的特性曲线V_H＝f（B）。

图19表示，函数的非线性ε（B）的特性曲线。

图20表示，奇函数的非线性ε（B）的特性曲线。

图21表示，在图1和图2中所描绘的霍尔元件的一种改进变型的俯视图。

图22表示，图21中所描绘的霍尔元件垂直断面图。

图23表示，在图3和图4中所描绘的霍尔元件的一种改进变型的俯视图。

图24表示，图23中所描绘的霍尔元件的垂直断面图。

图25表示，图21到24图中所描绘的霍尔元件的等效电路图。

在附图中所有各图的同一标号表示相同的部件。在附图中所描绘的霍尔元件全是表面器件。换句话说，它们全都处于半导体材料的表面或者直接在半导体材料表面的下面。

在图1到图15中所描绘的霍尔元件，以及晶体三极管是用硅或者用砷化镓（GaAs）材料制造的。它们通常由这两种材料之一组成多层结构。所有这些多层结构或是属于材料导电型P，或者就是相反的材料导电型N。N⁺和P⁺符号表示相应的N型或者P型材料，用杂质原子进行了强掺杂。换句话说，浓度至少具有每立方厘米接近10²⁰个离子。相反N^-和P^-符号表示相应的N型和P型材料用杂质原子进行弱掺杂。

图1到图15中所描绘的霍尔元件以及晶体三极管不仅能够由P型材料，而且还能够由N型材料开始进行制造，在所属的馈电电压或者馈电电流的极性选择相应正确的情况下，它的功能是不受影响的。在附图中为了简单的缘故，假设霍尔元件总是由N型材料开始进行制造的。这一点并没有使发明主题受到限制。

在图5到图15中，为了简单的缘故引出端C₁，C₂，C₂′，S₁，S₂，R和霍尔元件的sub，以及晶体三极管的B、E和C均表示为引线。

在实际当中，它们当然有金属化的结构，这层金属化被覆盖在集成霍尔元件以及所属集成电路的表面，作为薄的导电带。

所有在附图12到附图15中所描绘的霍尔元件都具有两个电流连接头C₁和C₂，以及两个传感器连接头S₁和S₂。所有在附图1到附图9中所描绘的霍尔元件都具有3个电流连接头C₁，C₂′，C₂″以及2个传感器连接头S₁和S₂。在这种情况下霍尔元件利用了电流连接头，以及传感器连接头C₁，C₂′，C₂″，S₁和S₂，总共5个连接头。它们总是如附图16中所描绘的那样向外部布线。在附图17中为了简单的缘故，霍尔元件采用了4个连接头，即：电流连接头C₁，C₂，以及传感器连接头S₁和S₂，这种连接头方式对4个连接头的改型布线方案并没有限制。

在所有的方案中，例如两个传感器连接头S₁或者S₂中，其中一个接地，而另一个传感器连接头S₂或者S₁构成霍尔元件的输出端。在附图中假定第一个传感器连接头S₁构成霍尔元件的输出端，则第二个传感器连接头S₂接地。

霍尔元件的电气接头C₁，C₂或者C₂′，C₂″，S₁和S₂，其每一个都具有一个引线接触点1，2，3，4以及5。

在附图1到附图9中，5个引线接触点1，2，3，4和5安排在纵向霍尔元件的表面上。引线接触点1至5都是并列地布局在近似一条直线上面。其中第一根电流引线接触点1位于中间，并且2个传感器引线接触点4和5分列在其两侧。另外两个电流引线接触点2和3对称地分列在第一个电流引线接触点1两旁，其安置近似于成一条直线。每个传感器引线接触点4或者5总是分别位于第一个电流引线接触点1和两个另外的电流引线接触点2或者3之间。

从附图12中到附图15中，所描绘的是水平霍尔元件，水平霍尔元件仅仅用2个电流连接头C₁和Cv代替了垂直霍尔元件的3个电流连接头C₁，C₂′和C₂″，在这种情况下，一方面两个传感器连接头S₁和S₂和另一方面的2个电流连接头C₁和C₂相互成+字形布置。这就是说，属于传感器连接头S₁及S₂的引线接触点4和5中心点间的连线，与属于电流联接头C₁及Cv的引线接触点1和2中心点间的连线相互接近垂直（见图12及图14）。

引线接触点1到5或者1，2，4和5，不管那一种情况都具有相同小的接触面，并且都具有相同矩形的外形，而且磨去棱角使其成园形形。霍尔元件的有源区7在基体6内，并位于5个引线接触点1到5或者4个引线接触点1，2，4和5的下面，而这些引线接触点是安置在霍尔元件的表面的。换句话说，可集成的霍尔元件具有2个传感器引线接触点4和5，以及至少2个电流引线接触点1和2，这些引线接触点均布置在霍尔元件的表面。所有引线接触点1到5及霍尔元件的有源区7，都是由与输出端材料相同导电类型的材料组成的，正如制造霍尔元件所用的原始材料那样。此外，所有的引线接触点1到5均采用杂质原子进行重掺杂。因为假定霍尔元件是由N型材料开始制造的，那么所有的电流引线接触点和传感器引线接触点1到5均由N⁺材料组成，而霍尔元件的有源区7是由N或者N^-材料组成的。

霍尔元件的有源区7例如由一个环8在侧面围绕着，在这方面环8总是具有一个环连接头R。在任何情况下，环8都是和霍尔元件的有源区7，传感器引线接触点和电流引线接触点1到5具有相反导电类型的材料。在我们的举例中环8是由P型材料组成的。

附图1和附图2表示用CMOS-工艺来制造纵向霍尔元件的俯视图和一个垂直断面图。引线接触点1到5是在基体6的表面上安置着的，引线接触点1到5以及基体6是由同样的材料例如：采用N型材料组成的。在基体6中的霍尔元件的有源区7位于5个引线接触点1到5的下面。在基体6中的有源区7被矩形的环8围绕着。这个环8布置在基体的表面，并且比引线接触点1到5的深度更深得多。如上所述环8是由和基体6相反的材料导电类型所构成的，位于基体6的表面是一层氧化层9，由SiO₂-材料构成。该氧化层本身至少部分地被一层导电材料覆盖。例如用铝或者多晶硅作的控制极层10来覆盖。环8具有环连接头R，并且控制极层10具有一个控制连接头G。

除了为连接头C₁，C₂′，C₂″，S₁和S₂预留的引出孔以外，霍尔元件的有源区7完全被控制极层10从上面覆盖。假如在控制极连接头G处现在有一个负电压，那么通过对在基体6表面的静电感应，围绕着连接触点1至5，就形成一个在附图中用“+”记号表征的P沟道，并且在其下面以及沿着界面，在基体6和环8之间形成一个耗尽区（耗尽层）。在图中用虚线表示的耗尽区表示一个阻挡层11，换句话说，阻挡层11是通过耗尽区而形成的，该耗尽区是借助于一个电压通过静电感应产生的，此电压通过控制极连接头G加到导电的控制极层10上。控制极层10通过氧化层9与霍尔元件的表面相隔离，这样就使氧化层以及耗尽区从上面尽可能完全地覆盖霍尔元件的有源区7。

附图3和附图4表示用更改过了的CMOS-工艺制造的纵向霍尔元件的俯视图和一个垂直断面图，该纵向霍尔元件是类似地如图1和图2中所描绘的纵向霍尔元件那样构成的，仅仅在这里缺少控制极层10连同其控制极连接头G和氧化层9。为此，围绕着连接触点1到5在基体6的表面上安置了一薄层12，该层12除了在为引线接触点1到5预留的引出孔以外在基体上面完全覆盖着霍尔元件的有源区域7。该层12是和霍尔元件的有源区域7具有相反导电类型的材料，因此是由P型材料所组成的。在霍尔元件有源区域7和层12之间的交界层形成了一层阻挡层12，该阻挡层同样地几乎完全地覆盖着霍尔元件的有源区域7上面。由于在制造上更为简单的缘故，所以薄层12也将环8的上端部分也覆盖了。因为薄层12和环8均属于相同的材料导电类型，所以这样做没有什么缺点。由此从薄层12至环8以及至其环连接头R间产生了电接触，所以该薄层12本身装备有环连接头R。

在图5中描绘的纵向霍尔元件采用了修改过的CMOS-工艺，是在图3和图4中所描绘的纵向霍尔元件的一种改进方案，图4作为第2视图从属于图5，图5表示一个平行于霍尔元件表面的霍尔元件的断面，该断面紧靠在薄层12下面（见图4）。

图5和图4分别表示的是一种用夹层结构制造的、霍尔元件的一个水平的和一个垂直的断面。在图5中所描绘的霍尔元件不同于在图3中所描绘的那种霍尔元件。霍尔元件的所有电流引线接触点和传感器引线接触点1到5，在同一个方向上成长带形地排列，并且环8通过间隔片13和14被划分成三个并列相邻的内环Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，这些间隔片是近似垂直于电流引线接触头和传感器引线接触头1至5的纵方向，而且所有的内环也都垂直于电流引线接触头和传感器引线接触头1至5的纵方向，并且具有一个近似相同的宽度，而且这所有的内环在此纵方向上没有相互的位移，一个叠着一个地排列着，其中两个相邻的内环总是具有一个共同的间隔片13或者14。因此m个间隔片就构成（m+1）个内环。如果m＝1，那么就出现一个由2个内环组成的矩形8字。可以选择任意大小的数目为（m+1）的内环。在图5中所示的假定是三个内环Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ。因为在图5的描绘中从上往下是P型层和N型层在电流引线接触头和传感器引线接触头1至5的附近相互交替排列着，所以得到了一种霍尔元件的“夹层”结构。所有的电流引线接触头和传感器引线接触头1至5必须足够的长，以便将所有被内环围绕的N型层搭桥跨接。在图5中这些N型层的厚度分别用t₁，t₂及t₃标明。在这里t₁≈t₂≈t₃。所有这些N型层均是并联电连接的。此种“夹层”结构具有的优点是：有源区7的厚度依赖于在环连接头R上所施加的电压大小的灵敏度比采用没有间隔片的环8的霍尔元件而言，要大因数m倍。

图6和图7表示一种采用修改了的Bi MOS工艺制造的纵向霍尔元件的第一方案的俯视图和一个垂直断面图。这种霍尔元件在结构上近似于如图3和图4所描绘的霍尔元件，但所具有的重要区别是现在的环8还有一个底板15，它是由和环8本身相同的P型材料构成。由环8和底板15的联合，现在就不仅是从侧面围绕着有源区7，而且从下面看也围绕着7。此外在霍尔元件底板15和有源区7之间的界面上还出现一个埋层16，它具有和基体6相同导电类型N的材料，但是进一步用杂质原子进行了强掺杂。基体6具有一个引线接触点17，它是用杂质原子进行强掺杂了的，杂质材料是在霍尔元件表面注入基体6的，并且它与一个外连接头sub相连接。连接触头17和基体6是属于相同导电类型N的材料。

图8和图9表示一种采用修改了的Bi MOS-工艺制造的纵向霍尔元件的第二个方案的俯视图和一个垂直断面图。此种霍尔元件其结构近似于图6及图7中所描绘的霍尔元件，区别只是在于：属于环8的底板15同时用来作为霍尔元件的机械载体，这样就代替了基体6，而且，两个外部的电流引线接触点2和3延伸到与埋层16相接触，也去掉了基体6以及属于基体6的连接触头17。出于绘图简化的缘故，与图7中描绘的环8相对照，在图9中的环8是用矩形的断面来描绘的，而对其功能并没有影响。此外，这里的环8用杂质原子进行了强掺杂。

图10和11表示一种以修改过的Bi MOS工艺制造的双极型晶体三极管的俯视图和垂直剖面图。其结构涉及到基体6，环8，底板15，埋层16以及引线接触头17与图6和图7所描绘的霍尔元件完全相同。然而双极型晶体三极管只具有三根引线，即一个集电极引线C，一个发射极引线E和一个基极引线B，而不是五根引线。基极引线B是与基区池18相连接的，该基区池18和基体6不同，是具有相反导电类型的材料，也就是说由P型材料所组成。每一个集电极引线C和发射极引线E都具有一个引线接触点19或20，它们是由杂质原子强掺杂成的材料。引线接触头19安置在基体6表面上，而引线接触头20安置在基区池18的表面上。两个连接触头19和20与基体6一样是由导电类型相同的材料组成，也就是说，它们由N型材料所组成。环8从侧面环绕引线接触头19和基区池18，与它在图7中环绕引线接触头1至5完全一样。在这里不存在P型材料层12。一方面比较图6和图7，另一方面比较图10与图11，可见在这些图中描绘的元件构成是类似的，所以为了实现在图17中描绘的电路，将两种元件形式用相同的工艺装入一个单独的集成电路中是毫无疑问的。

在图1至9中所描绘的霍尔元件带有五个电流以及传感器连接头C₁，C₂′，C₂″，S₁和S₂，如已经提到的那样，外部的线路布置按图16所述。一个待测量的磁场H_N平行作用于含有一个霍尔元件的集成电路表面。电源电压V_DD、V_SS中的一个极V_DD;经过电流发生器21与霍尔元件22中间电流连接头C₁相连接，而电源电压V_DD、V_SS中的另一个极V_SS经过两个电阻R₁及R₂接到另外两个电流连接头C₂′和C₂″上。（见图16）由电流发生器21供给的霍尔元件22的电源电流i在霍尔元件22内对半平分，并总是以电流i/2经过两个电阻R₁和R₂离开霍尔元件22的。

图12与图13表示以Bi MOS工艺制造的水平的霍尔元件的俯视图和垂直剖面图，除了引线接触头1，2，4和5的交叉排列以外，该霍尔元件的构成近似于在图1和图2中所描绘的纵向霍尔元件，但具有这样一个区别：即环8具有底板15，该底板与环8一样是由相同的材料导电类型所组成的，也就是说它是由P型材料组成的。由于底板15的存在，耗尽区11现在不仅从侧面和从上面而且也从下面围绕霍尔元件的有源区域7。在图13中假定底板15用来作为整个霍尔元件的机械载体。

图14和图15表示用修改了的Bi MOS工艺制造的水平的霍尔元件的俯视图和垂直剖面图，除了引线接触头1，2，4和5的交叉排列外，该霍尔元件的构成类似于在图6和图7中描绘的纵向的霍尔元件，而该水平的霍尔元件只去掉了埋入层16。由图14和图15中可以明显地看出，如果在这里描绘的霍尔元件中将两个引线接触点4和5连同它的传感器连接头S₁和S₂删去，则构成了场效应晶体管，该场效应晶体管与所属的霍尔元件一样是用相同的工艺制造的。因此场效应晶体管-比如在图17中描绘的场效应晶体管32，以及霍尔元件就能用相同的工艺制造在一块单独的集成电路中。

在图17中所描绘的装置，除了霍尔元件22和电流发生器21以外，还包括调节电路24、25、26、27。在图17中假设霍尔元件22是图12至图15中所表示的霍尔元件的一种，所有这些霍尔元件除了环连接头R外，只有四个电流连接头以及传感器连接头C₁、C₂、S₁和S₂。在这种情况下，两个电流连接头C₁和C₂与电流发生器21的每一个极连接。如果对应地在图17中所应用的霍尔元件22是图1至图9中所描绘的霍尔元件中的一个，这些霍尔元件除了环连接头R外还都具有五个电流连接头以及传感器连接头C₁、C₂′、C₂″、S₁和S₂，那么正如前所述，应用了图16中所描绘的霍尔元件的电路。在这两种情况下，将两个传感器连接头之一，比如传感器第二个连接头S₂接地，而另外的传感器第一个连接头S₁就形成了霍尔元件222的输出端S₁。

只是当采用图1和2或图12和13中所描绘的霍尔元件之一时，还存在具有控制层10的控制极连接头G。在这些情况下把控制极连接头G加上给定的电压。在所有情况下，也就是说：当应用图1至9或图12至15中所描绘的霍尔元件之一时，环连接头R是霍尔元件22的控制输入端M。在所有情况下，至少在有源区7和霍尔元件22的表面之间安置了一个阻挡层11或12、7，并如前所述它从上面完全覆盖了霍尔元件22的有源区7。

阻挡层11或者12、7使霍尔元件22的有源区7绝缘并完全得到保护，因此由氧化硅组成的绝缘层的存在是多余的，该绝缘层与霍尔元件22的有源区7直接接触。因而在这样的氧化硅绝缘层中总是含有的可变的载流子数就不复存在了，去除了该可变载流子数就去除了对霍尔元件22的持续稳定性的不良影响。图1、2、12和13中所描绘的二氧化硅氧化层9仅有一个次要的功能，并没有与霍尔元件22的有源区7直接连接，而是由阻挡层11从这个有源区7中隔离开。阻挡层11或12、7在各个方向围绕霍尔元件22的有源区7越完全，则它的保护作用就越强。此外就取决于它的深度了。尽管有可能存在着干扰的影响，例如：变化着的温度影响，这个深度应该总是恒定的。为了达到此目的，霍尔元件22与调节电路24、25、26、27相连接，如图17中描绘的那样。该调节电路将阻挡层11或12、7的深度调节到一个恒定值。

在图17中，霍尔元件22的输出端S₁经过调节电路24、25、26、27与霍尔元件22的控制输入端M相连接。调节电路24、25、26、27至少是由一个实际值整形器24，一个额定值发生器25和额定值/实例值-微分器26、27组成。霍尔元件22的输出端S₁是经过实际值整形器24与额定值/实测值-微分器26、27的输入端E₁连接，而额定值发生器25的输出端直接与差分放大器26的第二个输入端E₂连接。额定值/实测值-微分器26、27的输出端是连接到霍尔元件22的控制输入端M上。实际值整形器24在最简单的情况下是一个绝对值产生器，比如整流器，其输出电压总是等于它的输入电压的绝对值。

在图17中的绝对值形成器，也就是实际值整形器24至少是由一个被控制装置28控制的转换开关29和一个反相放大器30组成的。在图17中实际值整形器24还具有一个电压跟随器31用于隔离，它是可在市场上选择到的。在实际值整形器24内部，它的输入端是直接的或经过电压跟随器31，视转换开关29的位置而定，通过转换开关29或者与反相放大器30的输入端或输出端连接。反相放大器30的输出端就构成了实际值整形器24的输出端，并因此而通到额定值/实际值差-微分器26、27的输入端E₁上。此外，实际值整形器24的输入端还直接地或经过电压跟随器31与控制装置28的输入端连接，控制装置28的输出端通到转换开关29的控制输入端上。比如：控制装置28仅由比较器组成并可以探测实际值整形器24的输入电压的极性，也就是霍尔元件22的输出电压V_H的极性。按照这个输出电压V_H的极性，转换开关29跨接反相放大器30或者使反相放大器30投入工作。换句话说：假如霍尔元件22的输出电压V_H是正的，则该输出电压无需符号反相，并且如果这个输出电压是负的，则它就通过第一个反相放大器30使符号反相继续接到额定值/实测值-微分器，26、27的第一个输入端E₁上。

额定值发生器25由一个前置电阻R′和场效应晶体管32的“源-漏”区构成的串联电路所组成，该线路共同的极就构成了额定值发生器25的输出端并由此和额定值/实测值-微分器26、27的第二个输入端E₂相连接。前置电阻R′的另一个极接在第一个参考电压V_参考，1上，场效应晶体管32控制极连接头接在第二个参考电压V_参考，2上，还有场效应晶体管32的“源-漏”区的另一极接在第三个参考电压V_参考，3上。

额定值/实测值-微分器26、27至少是由一个差分放大器26所组成，比如该差分放大器是按已知的方式借助于运算放大器33构成的。在这种情况下，运算放大器33的反相输入端经过第一个输入电阻R₃与第一个输入端E₁相连接，经过第二个端入电阻R₄与第二个输入端E₂相连接，并经过反馈电阻R₅与差分放大器26的输出端F相连接。输出端F同时也是运算放大器33的输出端。运算放大器33的同相输入端经过差分放大器26的第三个输入端E₃接到第四个参考电压V_参考，4上。这样差分放大器26因此便作为反相放大器来布置线路。比如为了翻转由差分放大器26所引起的反相，就需要将它与另一个放大器27串联起来。例如：两个放大器27和30的每一个都有一个放大系数-1且同样的按照已知的方式每一个都是用一个运算放大器构成的。

场效应晶体管32用来作为温度敏感元件，其饱和电流（夹断电流）与场效应晶体管32以及霍尔元件22的环境温度的平方成反比，因为这两个元件是安装在同一个集成电路中的，空间相邻就很近。这又表明，不仅是霍尔元件22，而且晶体管：如场效应晶体管32都是可以用相同的工艺集成到同一块半导体晶体中，这一点很重要。

由于调节电路将霍尔元件输出电压作为实测值同额定值发生器25所提供的额定值进行比较，并且放大，这样所得到的额定值/实测值的差，又馈给到霍尔元件22的控制输入端M上。所以调整电路24、25、26、27就调整了阻挡层11或12、7的厚度。因为场效应晶体管32就是一个温度敏感元件，所以额定值也是随温度变化的。在这种情况下调整电路24、25、26、27就能够将阻挡层11或12、7的厚度调整到一个值上，这个值可以使得霍尔元件22的磁场灵敏度保持和温度无关。假如霍尔元件22就其本身而言是足够温度稳定的，那么场效应晶体管32就成为多余且可以删去。

在图17中转换开关29是作为继电器触头来描绘的，然而在实际中，它通常是一个可控制的半导体转换开关，例如它是用互补型金属氧化物半导体工艺制造的。

此外，在图17中描绘的电路还具有这样的优点，使霍尔元件22的特性曲线V_H＝f（B）在给定的馈电电流i时成为线性，在这里不仅消除了偶函数的非线性而且也消除了奇函数的非线性。非线性定义从图18中是显而易见的，在图中表示了一个在给定馈电电流i时的非线性特性曲线V_H＝f（B）。线性特性曲线在图18中用虚线表示的。当磁感应强度B在给定的B＝B₁时，霍尔输出电压V_H的非线性特性曲线具有一个工作点X，其纵座标等于V_H（B₁），而相应的工作点Y在线性特性曲线上具有纵座标〔〕B＝0·B₁，在此，因数〔〕B＝0在零点即B＝0时，不仅表示了非线性特性曲线的斜率，而且也表示了线性特性曲线的斜率。当值B＝B₁时，非线性度ε（B₁）就定义为工作点Y和X的两个纵座标的差，即：

ε（B₁）＝〔

〕B＝0·B₁-V_H（B₁）。

当ε（B₁）＝ε（-B₁）时，

非线性是偶函数型的（见图19）。

当ε（B₁）＝-ε（-B₁）时

非线性是奇函数型的（见图20）。

图18所描绘的非线性是奇函数型的。

一个给定的霍尔元件22的非线性是否偶函数型的或奇函数型的，必须在霍尔元件22装到图17中所表示的电路之前助于测量来查明。对以下功能的描述作这样的假定，即：霍尔元件22的输出电压V_H的正值是对应于磁磁感应强度B的正值，并且输出电压V_H的负值是对应于磁感应强度B的负值。（见图18）

对一个偶函数型霍尔元件，通常作为磁感应强度B的函数的非线性度ε（B），或者总是正的，如在图19中用实线表示的特性曲线，或者总是负的，如在图19中用虚线表示的特性曲线。

对奇函数型的霍尔元件，通常以磁感应强度B作函数的非线性度ε（B），或者如在图20中用实线表示的特性曲线，当B是正值时则ε（B）是正值，当B是负值时ε（B）是负值;或者颠倒过来，如图20中用虚线表示的特性曲线，当B为正值时，ε（B）是负的，当B是负值时，ε（B）是正的。

假如霍尔元件22以理想方式是偶函数型的，则就不使用差分放大器26第四个输入端E₄了，也就是说，在电压跟随器31的输出端与差分放大器26的第四个输入端E₄之间略去图17中用虚线标明的选择连接线，并仅仅是霍尔元件22输出电压V_H的绝对值经过实际值整形器24到达差分放大器26的第一个输入端E₁。

假如在这种情况下霍尔元件22具有一个与图19中实线所表示的曲线相近似的特性曲线，并且在电压跟随器31具有一个正的放大系数+1的前提下，放大器27必须是一个反相放大器，因此级联电路24、26、27就不引起电压翻转。与上述相反，假如霍尔元件22具有一个与图19中虚线表示的曲线相类似的特性曲线，则放大器27必须在相同的条件下是一个同相的放大器，因此级联电路24、26、27就引起电压翻转。

假如霍尔元件22其理想的方式是奇函数型的，那么控制装置28，转换开关29和反相放大器30可以被删去，也就是说，霍尔元件22的输出电压V_H的绝对值没有形成，而且该输出电压V_H经过电压跟随器31和一个供现有选择的、在图17中用虚线所描绘的连接线而到达差动放大器26的第四个输入端E₄上。最后，第四个输入端E₄经过第三个输入电阻R₆与运算放大器33的反相输入端相连接。

假如在这种情况下，霍尔元件22具有一个与图20中实线所描绘的曲线相类似的特性曲线，并又在这种前提下，即电压跟随器31具有一个正的放大系数+1，则放大器27必须是一个反相放大器。因此级联电路31、26、27就引起电压反相。与上述相反，假如霍尔元件22具有一个与图20中虚线表示的曲线相类似的特性曲线，放大器27在同样前提下必须是一个同相放大器，因此级联电路31、26、27就引起电压反相。图19和图20中表示的特性曲线是理想的特性曲线。实际上这些特性曲线不是这样对称于ε（B）轴或者是对称于零点，也就是说：实际上通常总是存在着偶函数与奇函数的混和。在这种情况下，霍尔元件22的输出电压V_H必须不仅要经过实际值整形器24到达第一个输入端E₁而且也要经过电压跟随器31到达第四个输入端E₄。因为偶函数的非线性与奇函数的非线性度的不对称性是绝对不相同的值，所以可以通过选择输入电阻R₃和R₆的不同的值，使非对称性得到不同程度的校正。因此差分放大器26的第一个和第四个输入端E₁和E₄，每一个都形成了两个实际值输入端之一。在第四个输入端E₄上总是出现具有其实际符号的霍尔元件22的输出电压V_H。而差分放大器26的第一个输入端E₁上总是出现该输出电压的绝对值。在差分放大器26的两个输入端E₁和E₄上的两个电压和在这里就形成了调整电路24、25、26、27的实际值。

图17中表示的电路工作方式可以概括地总结如下：

参考电压V_参考，1，V_参考，2，V_参考，3和V_参考，4是这样选择的，即当放大器27是反相的，则在放大器27的输入端显示出一个正的额定值。反过来说，当放大器27是同相的，则显示出一个负的额定值。因此在这两种情况下，在霍尔元件22的控制输入端M上就显示出一个负的基本电压作为额定值，假如利用霍尔元件22所测得的磁场，例如一个正弦波的交变磁场，则霍尔元件22的输出电压V_H是一个正弦波的交流电压。当霍尔元件22具有理想的奇函数的非线性时，这个正弦交流电压V_H就不加改变地当作实际值被接入到差分放大器26的第四个输入端E₄，紧接着，根据放大器27的正或负放大系数，将带有或不带有翻转的恒定额给定值叠加到正弦波交流电压V_H上，使霍尔元件22控制输入输M的负电压沿正确的方向或多或少地变负，在这里无论如何，必须保持控制输入端M的总电压是负的。

当一个霍尔元件22具有理想偶函数的非线性时，发生同样的情况，只不过这一次霍尔元件22输出电压V_H的负半波借助于转换开关29和反相放大器30被整流，而且这样整流过的输出电压V_H作为实际值被输入到差分放大器26的第一个输入端E₁上。如果反相放大器30的放大器数等于-1，则整流过的负半波与正半波同样大，否则就不同样大。

当具有不对称非线性的霍尔元件22时，也就是说，如果存在一个偶函数的和奇函数的非线性的组合时，则该实际值也必须是前面所提到的两个实际值的组合。也就是说：未加改变的输出电压V_H必须馈给输入端E₄，并且整流后的输出电压V_H必须同时馈给输入端E₁。在这种情况下，加权输出电压V_H和加权整流输出电压V_H的总和就有效地成为整个实际值。在此，输入电阻R₆以及R₃的值总是构成了权重因素。

因为给定一个的磁场时，霍尔元件的灵敏度以及由此霍尔元件22的输出电压V_H也近似地和阻挡层厚度成反比，面该厚度另一方面与呈现在控制输入端M上的电压成正比，那么当在调节技术上沿着正确的方向改变霍尔元件22控制输入端M上的电压时，输出电压V_H的非线性也就被校正了。

附图21对应地近似于附图1，而附图22对应地近似于附图2，只有个别的区别是：在两个附图1和2这两个附图中的导电控制层10是被三个平行并列的以及互相分开的控制层10a，10b及10c所代替。中间的控制层10b从上面看完全覆盖着有源区7的一部分。在此区域内包括着引线接触头1、4和5，以及具有一个控制门连接头G。在附图描绘中的左边的控制门层10a，从上面看完全覆盖有源区7的另一部分，在此区域内包括着引线接触头2，以及具有一个控制门连接头OL。在附图描绘中的右边的控制门层10c，从上面看完全覆盖着有源区7的又一部分，在此区域内包括着引线接触头3，以及一个控制门连接头OR。

附图23对应地近似于附图3，而附图24对应地近似于附图4，其区别在于：两个外部的电流引线接触头2和3是呈矩形环状并且总是以侧面围绕着控制门引出头OL或OR的接触区2a或3a，在这里控制门引出头OL及OR的两个接触区2a和3a是用杂质原子强掺杂的，并且和连接触头2和3相比具有相反导电类型P的材料，这就是说，说，如果连接触头2和3是由N⁺型材料组成的话，那么接触区由PP⁺型材料组成。

在附图21及22或者23及24中所描绘的霍尔元件的外部近似于附图16中所描绘的霍尔元件22。只是现在还有两个附加控制门连接头OL和OR，它们用来补偿霍尔元件的零电压（偏移电压）。霍尔元件的等效电路现在根据附图25是由四个电阻R₇、R₈、R₉及R₁₀以及二个场效应晶体管34及35组成，其每个控制门引出头是霍尔元件的控制门引出头OL或者OR。电阻R₇，场效应晶体管34的“源-漏”区和电阻R₉是按照给出的顺序串接的;同样地，电阻R₈，场效应晶体管35的“源-漏”区以及电阻R₁₀也是按顺序串联的。电阻R₇和R₈的两个自由端连接在一起，并且构成霍尔元件的引线接触头1，该引线接触头由外接的电流发生器21如图16所示的那样，馈给电流i。电阻R₉的自由端构成引线接触头2，电阻R₁₀的自由端则构成霍尔元件的引线接触头3。两个引线接触头2和3如在图16中那样，每一个通过一个电阻R₁或者R₂同馈电电压V_DD、V_SS中的极V_SS相连，而电流发生器21的第二个极连到极V_DD上。电阻R₇和场效应晶体管34的共同接头构成第一个传感器连接头S₁，并且电阻R₈和场效应晶体管35的共同接头构成霍尔元件的第二个传感器连接头S₂。必须有R₁＝R₂及R₇＝R₈。此外，当一个理想霍尔元件无零电压（偏移电压）时必须有R₉＝R₁₀，也同时有R₁₀＝R₇假如在两个控制门接头OL和OR上加上相同电压，那么两个场效应晶体管34和35的“源-漏”电阻也同样是相同的，并用R_T来标志。

当非理想霍尔元件的时候，即存在着零电压（偏移电压）时，则必须有：如R₉＝R₁₀+ΔR，这就是说：测量电桥R₇、34、R₉、R₁、R₂、R₁₀、35、R₈是非对称的，并且不存在磁场时，霍尔元件的输出端S₁;S₂上就产生一个非零的输出电压。此电压能够由以下得到补偿，即场效应晶体管35的控制门连接头OR上的电压这样地变化，即使得其“源-漏”区具有一个电阻值R_T+ΔR。因为电阻R₉的增值，ΔR被场效应晶体管35的“源-漏”区的增值ΔR给补偿了，所以测量电桥又重新对称。因此当不存在磁场时，在霍尔元件的输出端S₁、S₂上的电压被修正得重新为零。这就是说：霍尔元件的零电压可以借助于加在霍尔元件的两个控制门连接头OR和OL上的电压来补偿。

Claims (17)

1、具有一个可在一个集成电路中集成的霍尔元件的装置，该霍尔元件具有两个传感器引线接触头和至少两个电流引线接触头。这些引线接触头排列在霍尔元件的表面，其中，至少在霍尔元件〔22〕的有源区〔7〕和霍尔元件〔22〕的表面之间配置着一个阻挡层〔11或者12、7〕，该阻挡层从上面覆盖着霍尔元件〔22〕的有源区〔7〕，其特征在于：在霍尔元件〔22〕表面上形成一薄层，该薄层是导电类型为P型的材料，它和霍尔元件〔22〕有源区〔7〕的导电类型正好相反，该薄层具有对环的连接头〔R〕的电接触，而环连接头〔R〕形成霍尔元件〔22〕的一个控制输入端〔M〕。

2、按照权利要求1的装置，其特征在于：阻挡层〔12，7〕是由在霍尔元件〔22〕的有源区〔7〕与在霍尔元件〔22〕表面上形成的薄层〔12〕之间的交界层形成的，该薄层〔12〕从上面覆盖着有源区〔7〕。

3、按照权利要求1的装置，其特征在于：霍尔元件〔22〕的输出端〔S1〕通过一个调节电路〔24、25、26、27〕和霍尔元件〔22〕控制阻挡层〔11或者12、7〕厚度的控制输入端〔M〕相连接。

4、按照权利要求3的装置，其特征在于：调节电路〔24、25、26、27〕至少由一个实际值整形器〔24〕，一个额定值发生器〔25〕和一个额定值/实测值一微分器〔26、27〕组成。

5、按照权利要求4的装置，其特征在于：实际值整形器〔24〕是一个绝对值形成器。

6、按照权利要求5的装置，其特征在于：实际值整形器〔24〕至少由一个被控制装置〔28〕控制的转换开关〔29〕和一个反相放大器〔30〕组成。

7、按照权利要求6的装置，其特征在于：控制装置〔28〕由一个比较器组成。

8、按照权利要求5的装置，其特征在于：实际值整形器〔24〕由一个整流器组成。

9、按照权利要求4的装置，其特征在于：额定值发生器〔25〕是由一个前置电阻〔R′〕和一个场效应晶体管〔32〕的源-漏区构成的串联电路组成。

10、按照权利要求4的装置，其特征在于：额定值/实际值-微分器〔26、27〕至少由一个差分放大器〔26〕组成。

11、按照权利要求10的装置，其特征在于：差分放大器〔26〕具有两个实际值输入端〔E₁、E₄〕，其中第一个〔E₁〕与实际值整形器〔24〕的输出端相连接，而另一个〔E₄〕与实际值整形器〔24〕的输入端相连接。

12、按照权利要求11的装置，其特征在于：差分放大器〔26〕是作为反相放大器而布置的，并且和它串联了另一个反相放大器〔27〕。

13、按照权利要求1的装置，其中，阻挡层〔11〕是由一个耗尽区形成的，该耗尽区是借助一个电压，通过静电感应产生的，该电压是通过控制门连接头〔G〕施加到导电的控制层〔10〕上的，控制层〔10〕通过在霍尔元件〔22〕表面上的一层氧化层〔9〕而被隔离了，这样，控制层〔10〕以及耗尽层从上面覆盖着霍尔元件〔22〕的有源区〔7〕;其特征在于：环〔8〕由霍尔元件〔22〕表面上的薄层构成，它至少在侧面围绕着霍尔元件〔22〕的有源区〔7〕，并且具有连接头〔R〕。

14、按照权利要求2的装置，其特征是：霍尔元件〔22〕的所有电流引线接触头和传感器引线接触头〔1至5〕，其长方形状的方向彼此相同;存在着一个带有环连接头〔R〕的环〔8〕，该环〔8〕至少在侧面围绕着霍尔元件〔22〕的有源区〔7〕，并和霍尔元件〔22〕的有源区〔7〕是有着相反导电类型的材料，并通过间隔片〔13、14〕被划分成内环〔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ〕，间隔片的方向近似垂直于电流引线接触头和传感器引线接触头的纵向，所有这些内环排列成垂直于电流引线接触头和传感器引线接触头〔1至5〕的纵向，它们具有近似相同的宽度并且沿着纵向无相互间的位移，一个叠着一个地排列着，其中二个相邻的内环〔Ⅰ和Ⅱ或者Ⅱ和Ⅲ〕总是具有一个共同的间隔片〔13或者14〕;所有的电流引线接触头和传感器引线接触头〔1至5〕都具有足够的长度，以便将所有被内环〔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ〕围绕的各层跨接起来。

15、按照权利要求13的装置，其特征在于：导电的控制层〔10〕是由三个平行并列且相互隔开的控制层〔10a、10b、10c〕形成的，其中的中间控制层〔10b〕覆盖着有源区〔7〕的一部分，在此层内包含着霍尔元件的三个中间引头线接触头〔1、4、5〕，另外两个控制层〔10a、10c〕各覆盖着有源区〔7〕另外的一部分，在此部分中包含着霍尔元件的每一个另外的引线接触头〔2、3〕;以及所有三个控制层〔10a、10b、10c〕中每一个都具有一个控制连接头〔G、OL、OR〕。

16、按照权利要求2的装置，其特征在于：两个外部引线接触头〔2、3〕是环形的，并且每一个在侧面围绕着一个控制连接头〔OL或者OR〕的一个接触区〔2a或者3a〕，这时控制连接头〔OL、OR〕的接触区〔2a、3a〕是用杂质原子强掺杂的，而且是导电类型为P型的材料，与两个外部连接头〔2、3〕的导电类型相反。

17、按照权利要求16的装置，其特征在于：它应用在功率表或者电度表中，用以测量电流或者构成电压、电流的乘积。

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