DE102013212463A1

DE102013212463A1 - Vertikale hall-vorrichtung mit niedrigem offset und strom-spinning-verfahren

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Publication number: DE102013212463A1
Application number: DE201310212463
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner; Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: US9116196B2; US20120286776A1; US9423471B2; CN203630326U; DE102013212463B4; US20150369881A1; US20150061661A1; US8896303B2

Abstract

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst mindestens zwei Versorgungsanschlüsse, die dafür eingerichtet sind, dem ersten Hall-Effekt-Gebiet elektrische Energie zuzuführen, und mindestens einen Hall-Signalanschluss, der dafür eingerichtet ist, ein erstes Hall-Signal vom ersten Hall-Effekt-Gebiet bereitzustellen. Das erste Hall-Signal gibt ein Magnetfeld an, das parallel zur Fläche des Halbleitersubstrats ist und auf das erste Hall-Effekt-Gebiet wirkt. Einer oder mehrere der mindestens zwei Versorgungsanschlüsse oder einer oder mehrere von dem mindestens einen Hall-Signalanschluss weisen einen Kraftkontakt und einen Messkontakt auf.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung ist eine CIP-Anmeldung der am 8. Februar 2011 eingereichten US-Anmeldung mit der laufenden Nummer 13/022,844. Der Inhalt dieser verwandten Anmeldung wird hier durch Verweis in seiner Gesamtheit aufgenommen.
HINTERGRUND
Hall-Effekt-Vorrichtungen werden häufig in Sensoranwendungen für das berührungsfreie Messen von Magnetfeldern verwendet. 1 zeigt eine herkömmliche Hall-Platte 100. Die Hall-Platte 100 wird durch Bereitstellen eines vorgegebenen Stroms 104 entlang einer ersten Achse 106 zwischen einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss S₁, S₂ betrieben. Nach dem Hall-Prinzip (und der Rechte-Hand-Regel von Lorentz, wie durch 108 dargestellt) bewirkt das Vorhandensein eines Magnetfelds B, dass positiv geladene Teilchen (beispielsweise Löcher 110), die sich während des Flusses des Stroms 104 mit einer Geschwindigkeit v bewegen, in F-Richtung entlang der zweiten Achse 112 ”geleitet” oder abgelenkt werden, wodurch eine Spannungsdifferenz zwischen den Hall-Effekt-Anschlüssen H₁ und H₂ induziert wird. Der Betrag des ”Leitens” oder Ablenkens dieser geladenen Teilchen hängt vom Betrag des Magnetfelds B ab, so dass der Betrag der Spannungsdifferenz zwischen H₁ und H₂ proportional zum Betrag des Magnetfelds B ist. Daher bietet bei Vorhandensein eines vorgegebenen Stroms 104 das Messen der Spannung an den Hall-Effekt-Anschlüssen H₁ und H₂ eine genaue Messung des Magnetfelds B.
Wie nachstehend in weiteren Einzelheiten verständlich wird, betrifft die vorliegende Offenbarung verbesserte Hall-Effekt-Messtechniken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt ein Arbeitsprinzip einer herkömmlichen Hall-Platte.
Die 2–3 zeigen eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung, die einige Nachteile aufweist.
4 zeigt ein Ersatzschaltbild der 2–3, einschließlich Kontaktwiderständen, die zu Offsetfehlern führen.
5 zeigt ein Ersatzschaltbild für den Kontaktwiderstand von Hall-Effekt-Sensoren gemäß einigen Ausführungsformen.
6 zeigt eine Draufsicht einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
Die 7A–7D zeigen eine Reihe angelegter Vorspannungen und gemessener Ströme für die vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung aus 6.
8 zeigt eine Draufsicht einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
Die 9A–9D zeigen eine Reihe angelegter Vorspannungen und gemessener Ströme für die vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung aus 8.
10 zeigt eine Draufsicht einer anderen vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
11 zeigt eine Ausführungsform einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung, die über zwei Wannen statt einer einzigen Wanne verteilt ist.
Die 12A–12B zeigen eine andere Ausführungsform einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung, die über zwei Wannen verteilt ist.
13 zeigt eine andere Ausführungsform einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung, die über zwei Wannen verteilt ist.
14 zeigt eine Rückkopplungsschaltung gemäß einigen Ausführungsformen.
15 zeigt eine differenzielle Rückkopplungsschaltung gemäß einigen Ausführungsformen.
Die 16A–16C zeigen eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung, welche die differenzielle Rückkopplungsschaltung aus 15 verwendet.
17 zeigt eine andere Ausführungsform einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung.
18 zeigt eine andere Ausführungsform einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung.
19 zeigt eine andere Ausführungsform einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die Figuren der anliegenden Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszahlen überall verwendet werden, um sich auf gleiche Elemente zu beziehen und wobei die dargestellten Strukturen und Vorrichtungen nicht notwendigerweise maßstabsgerecht dargestellt sind.
Im Gegensatz zu 1, worin der Hall-Effekt in Zusammenhang mit einer verhältnismäßig flachen Hall-Platte erklärt ist, behandelt die vorliegende Offenbarung genaue Messtechniken für vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen. Die 2 und 3 zeigen eine perspektivische Ansicht bzw. eine Schnittansicht für eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung 200, die einige Nachteile aufweist. Die vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung 200 weist ein Hall-Messgebiet 202 (beispielsweise ein leicht dotiertes n-Gebiet) auf, das mit Versorgungskontakten S1, S2 und einem Hall-Signalkontakt H gekoppelt ist.
Die vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung 200 wird in einem ”Spannungseingabe-Stromausgabe”-Modus betrieben. Zu diesem Zweck legt eine Spannungsquelle 204 eine Eingangsspannung Vin an die Versorgungskontakte S1, S2 an. Beispielsweise kann der Versorgungskontakt S1 bei Vin gehalten werden, während der Versorgungskontakt S2 auf Masse gehalten werden kann. Nach dem ohmschen Gesetz (V = IR) induziert diese Eingangsspannung Vin einen entsprechenden Stromfluss zwischen den Versorgungskontakten S1, S2.
Unter der Annahme, dass der Hall-Signalkontakt H zwischen den Versorgungskontakten S1, S2 zentriert ist, und unter der Annahme, dass es über das Hall-Gebiet 202 einen gleichmäßigen Widerstand gibt, erfährt der Hall-Signalkontakt H bei einem Magnetfeld von null eine Spannung von Vin/2. Falls der Hall-Signalkontakt H daher bei Vorhandensein eines Magnetfelds von null bei Vin/2 gehalten wurde, bildet dies einen Gleichgewichtszustand, und es fließt kein Strom in den Hall-Signalkontakt H.
Bei Vorhandensein eines von null verschiedenen Magnetfelds B ist der Fall jedoch etwas verschieden. Nun werden Ladungsträger im Stromfluss nach der Rechte-Hand-Regel 108 in einem Versuch, das Potential am Hall-Signalkontakt H zu erhöhen oder zu verringern, ”gelenkt” oder abgelenkt. Beispielsweise sei der dargestellte Fall betrachtet, in dem das B-Feld in negativer x-Richtung ausgerichtet ist und positiv geladene Löcher in negativer y-Richtung fließen, so dass die Löcher eine Hall-Kraft erfahren, welche die Löcher in einem Versuch, das Potential am Hall-Signalkontakt H zu verringern, von der Substratoberfläche 209 nach unten treibt.
Falls der Hall-Signalkontakt H noch an Vin/2 geklemmt ist, sind die durch den Hall-Effekt ”gelenkten” Ladungen nicht in der Lage, das Potential am Hall-Signalkontakt H zu erhöhen oder zu verringern. Daher wird ein Hall-Strom I_Hall in den Hall-Signalkontakt H injiziert oder daraus abgeleitet, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, wobei der Betrag des injizierten oder abgeleiteten Hall-Stroms proportional zum Betrag des Magnetfelds B ist. Demgemäß gibt der Hall-Strom I_Hall am Hall-Signalkontakt H den Betrag des Magnetfelds B an.
3 zeigt einen Querschnitt des vertikalen Hall-Effekt-Sensors 200 entlang einer Achse 106. Der erste Versorgungskontakt S1 ist als ein erstes Wannengebiet 205 (beispielsweise n-dotierte n-Wanne) mit einem oder mehreren Kontakten 206 (beispielsweise flachen n⁺-dotierten Source/Drain-Kontakten) implementiert. Der Hall-Signalkontakt H ist als ein zweites Wannengebiet 207 (beispielsweise n-dotierte n-Wanne) mit einem oder mehreren jeweiligen Kontakten 210 (beispielsweise flachen n⁺-dotierten Source/Drain-Kontakten) implementiert. Der zweite Versorgungskontakt S2 ist als ein drittes Wannengebiet 212 (beispielsweise n-dotierte n-Wanne) mit einem oder mehreren Kontakten 214 (beispielsweise n⁺-dotiert) implementiert. Eine Isolationsstruktur 215 umgibt das Hall-Gebiet 202. Während der Hall-Signalkontakt H für den Augenblick ignoriert wird, sei nun kurz der Fall betrachtet, in dem die Spannung Vin an den ersten Versorgungskontakt S1 angelegt ist und das Massepotential (0 V) an den zweiten Versorgungskontakt S2 angelegt ist. Die Spannung Vin ist an einen Metall-1-Draht 216 angelegt, so dass Strom über diesen Draht fließt, Kontaktstopfen 218 durchquert, in das hoch dotierte Source-Drain-Diffusionsgebiet 206 (n⁺) fließt, sich in der n-Wanne 205 ausbreitet (n, welche leichter dotiert ist als die n⁺-Source/Drain-Gebiete, jedoch höher dotiert ist als das n-Hall-Gebiet 202), bis er schließlich in das n-Hall-Gebiet 202 eintritt. Die gleiche Sequenz in entgegengesetzter Reihenfolge geschieht beim zweiten Versorgungskontakt S2.
Leider bewirken die Kontaktwiderstände des Metall-1-Drahts 216, der Kontaktstopfen 218, des n⁺-Source/Drain-Gebiets 206 und der n-Wanne 205 einen Spannungsabfall, so dass das Potential Vin das Hall-Gebiet 202 tatsächlich nicht erreicht. Wenngleich diese Kontaktwiderstände niedrig sind, können sie noch einen Spannungsabfall von einigen Millivolt hervorrufen, der angesichts der Tatsache erheblich sein kann, dass das Hall-Gebiet 202 typischerweise einen kleinen Widerstand hat. Ferner können bei Vorhandensein eines Magnetfelds von null Asymmetrien in der Geometrie der Hall-Vorrichtung zu von null verschiedenen Hall-Effekt-Signalen, so genannten Roh-Spannungsversätzen, führen. Strom-Spinning-Schemata kombinieren Signale mehrerer Spinning-Zyklen, so dass dieses (kombinierte) Gesamtsignal dazu neigt, einen viel kleineren Roh-Offset zu haben als die einzelnen Stromsignale. Dieser kombinierte Roh-Offset kann als ein restlicher Offset bezeichnet werden.
Der Grund für diesen restlichen Offset kann 4 entnommen werden, worin ein Ersatzschaltbild dargestellt ist, das die ”wahre” Hall-Vorrichtung 202 (d. h. denjenigen Teil der Hall-Vorrichtung, der nur aus dem n-Hall-Gebiet besteht, wo sich der Hall-Effekt in erster Linie entwickelt) zuzüglich weiterer Kontaktwiderstände (r1, r2, rH) aufweist. Weil diese Kontaktwiderstände nicht genau bekannt sind (und sich über den Herstellungsprozess etwas ändern können und selbst innerhalb einer Vorrichtung eine Fehlanpassung aufweisen können), bewirken diese Kontaktwiderstände Ungenauigkeiten in dem angelegten Spannungspotential. Beispielsweise sei ein hypothetischer Fall betrachtet, in dem eine Vorspannung von 5 V zwischen S1 und S2 gelegt ist und die Kontaktwiderstände r1 und r2 dem Benutzer unbekannt sind, jedoch jeweils tatsächlich beispielsweise 10% des Widerstandswerts des Hall-Gebiets 202 erreichen. In einer solchen Situation könnte ein Benutzer erwarten, dass die gesamte Vorspannung von 5 V an das Hall-Gebiet angelegt ist, wobei tatsächlich jedoch infolge eines Spannungsabfalls von 0,5 V über jeden Kontaktwiderstand (r1, r2) nur 0,8·5 V = 4 V (d. h. 80% der ganzen Vorspannung) über das Hall-Gebiet gelegt sind. Demgemäß beträgt das Potential am positiven Versorgungskontakt S1 des Hall-Gebiets 202 4,5 V (statt 5 V) und am negativen Versorgungskontakt S2 des Hall-Gebiets 202 0,5 V (statt 0 V).
Diese ungenauen Potentiale führen zu restlichen Offsetfehlern für Spinning-Strom-Techniken, insbesondere falls die Vorrichtung eine elektrische Nichtlinearität aufweist, beispielsweise wenn das Widerstandsniveau der Widerstände r1 und r2 vom angelegten Potential abhängt. Beispielsweise ist der Widerstandswert von r1 in der Realität etwas größer, wenn 5 V an S1 angelegt sind, und etwas kleiner, wenn 4,5 V an S1 angelegt sind. Gleichermaßen ist der Widerstandswert von r2 kleiner, wenn 0 V an S2 angelegt sind als wenn 0,5 V an S2 angelegt sind. Dies führt zum restlichen Offset.
Daher ist es wünschenswert, wohldefinierte Potentiale an die Widerstände anzulegen, um diese restlichen Spannungsversätze zu vermeiden. Leider sind die Widerstände in den 2–4 jedoch wegen der kleinen Kontaktwiderstände für jeden Kontakt nicht direkt zugänglich. Um den unbekannten Spannungsabfall entlang diesen Kontaktwiderständen zu umgehen, teilt die Erfindung jeden Kontakt (beispielsweise die Versorgungskontakte S1, S2 und den Hall-Signalkontakt H aus den 2–3) in zwei Teile auf, nämlich einen Kraftkontakt (F), der zum Übertragen von Strom verwendet wird, und einen Messkontakt (S), der zum Messen eines Spannungspotentials verwendet wird, das sich an der ”wahren” Hall-Vorrichtung im aktiven Hall-Gebiet entwickelt. Diese Kraft-Mess-Kontakte erreichen in allen Betriebsphasen des Spinning-Stromschemas wohldefinierte Potentiale an allen Widerständen des Ersatzschaltbilds, wodurch restliche Spannungsversätze begrenzt oder vermieden werden.
6 zeigt ein Beispiel einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung 600, bei welcher ”aufgeteilte” Kontakte gemäß einigen Ausführungsformen verwendet werden. Innerhalb einer n-leitenden Wanne 602 (die von einer Isolationsstruktur 606 in der Art eines tiefen Grabenisolationsgebiets oder eines p-leitenden Gebiets umgeben ist) sind drei Paare ”aufgeteilter” Kontakte angeordnet (beispielsweise erstes Kontaktpaar 610, zweites Kontaktpaar 612, drittes Kontaktpaar 614). Jedes Kontaktpaar weist einen ersten Kontakt (beispielsweise 610a, 612a, 614a) sowie einen zweiten Kontakt (beispielsweise 610b, 612b, 614b) auf. Wie nachstehend in weiteren Einzelheiten dargelegt wird, klemmen Rückkopplungsschaltungen 626, 628, 630 die Kontaktpaare an jeweilige Spannungspotentiale (beispielsweise U1, U2, U3) und messen einen Hall-Effekt-Strom von der vorgespannten Vorrichtung, um das Magnetfeld genau zu messen.
Bevor die detaillierte Funktionalität einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung 600 eingehend behandelt wird, wird auf 14 Bezug genommen, worin eine als Beispiel dienende Rückkopplungsschaltung 1400 (beispielsweise die Rückkopplungsschaltung 626 in 6) dargestellt ist. Die Rückkopplungsschaltung 1400 weist eine Transkonduktanzeingangsstufe TC₁ und eine stromgesteuerte Stromquelle CCCS₁ auf. Die Transkonduktanzeingangsstufe TC₁ weist einen positiven nicht invertierenden Eingang (+) und einen negativen invertierenden Eingang (–) auf. Die Transkonduktanzeingangsstufe TC₁ ist dafür ausgelegt, einen Strom I_TC auszugeben, der zur Spannung zwischen ihrem nicht invertierenden Eingang (+) und ihrem invertierenden Eingang (–) proportional ist. Falls die Spannung am nicht invertierenden Eingang gegenüber dem invertierenden Eingang positiv ist, ist der Ausgangsstrom I_TC positiv. Falls die Spannung am nicht invertierenden Eingang gegenüber dem invertierenden Eingang negativ ist, ist der Ausgangsstrom I_TC negativ.
Der Ausgangsstrom I_TC der Transkonduktanzstufe TC₁ wird CCCS₁ zugeführt, welche einen Rückkopplungsstrom I₁ an einen Kraftkontakt F₁ ausgibt, um das Spannungspotential an einem zugeordneten Messkontakt auf das Referenzspannungspotential U₁ zu treiben (beispielsweise wird der Rückkopplungsstrom I₁ F₁ bereitgestellt, um die Spannungspotentiale bei S₁ auf Werte gleich U₁ zu treiben). Falls TC₁ einen großen Proportionalitätsfaktor aufweist, kann eine kleine Spannungsdifferenz zwischen den invertierenden Eingängen einen großen Ausgangsstrom für CCCS₁ bereitstellen, weil I₁ proportional zum Strom I_TC und unabhängig vom Kontaktwiderstand ist, dem der Strom zugeführt wird. Um die Wirkung der Kontaktwiderstände wirksam zu unterdrücken, muss der Betrag des Stroms I1 viel größer sein als der Betrag des in den invertierenden Eingang von TC1 und aus diesem heraus fließenden Stroms. In einem idealisierten Fall zieht der invertierende Eingang gar keinen Strom.
Falls daher während des Betriebs das Spannungspotential an einem Messkontakt (beispielsweise S₁) niedriger als das Referenz- oder Zielspannungspotential der Rückkopplungsschaltung (beispielsweise U₁) ist, injiziert die Rückkopplungsschaltung (beispielsweise FB₁) einen großen positiven Strom (beispielsweise I₁) in einen Kraftkontakt (beispielsweise F₁) der Hall-Effekt-Vorrichtung, um das Potential am Messkontakt (beispielsweise S₁) zu erhöhen, bis es gleich der Referenzspannung (beispielsweise U₁) ist. Falls das Spannungspotential an einem Messkontakt (beispielsweise S₁) ähnlich höher als das Referenz- oder Zielspannungspotential der Rückkopplungsschaltung (beispielsweise U₁) ist, verringert die Rückkopplungsschaltung (beispielsweise FB₁) ihren einem Kraftkontakt (beispielsweise F₁) der Hall-Effekt-Vorrichtung zugeführten Ausgangsstrom, wodurch das Potential am Messkontakt (beispielsweise S₁) verringert wird, bis es gleich der Referenzspannung ist (beispielsweise U₁).
In den 7A–7D ist nun der Betrieb der Hall-Effekt-Vorrichtung 600 ersichtlich. In 7A stellt die Steuereinrichtung 624 zu einer ersten Zeit das Schaltnetz 636 ein, um jeweilige Rückkopplungsschaltungen (626, 628 bzw. 630, welche Referenzspannungen von +1 V, +0,5 V bzw. 0 V aufweisen) mit Kontaktpaaren 610, 612 bzw. 614 zu koppeln.
Überdies ist in dem dargestellten Beispiel die erste Rückkopplungsschaltung 626 mit dem ersten Kontaktpaar 610 aus 7A gekoppelt. Die erste Rückkopplungsschaltung 626 ändert den Betrag des dem Kraftkontakt F1 zugeführten Stroms I1, bis der Messkontakt S1 eine Spannung von U1 (hier 1 V) misst. Auf diese Weise werden erste und zweite Kontakte 610a, 610b während der ersten Zeit in 7A auf 1 V geklemmt. Auf diese Weise wird der erste Kontakt 610a auf 1 V geklemmt. Ähnlich werden der zweite Kontakt 612a auf 0,5 V geklemmt und der dritte Kontakt 614a auf 0 V geklemmt (612b hat ein Potential nahe bei 0,5 V, möglicherweise etwas kleiner oder etwas größer als 0,5 V, abhängig von seinem Kontaktwiderstand und seinem angelegten Magnetfeld, während 614b ein Potential hat, das, abhängig von seinem Kontaktwiderstand, etwas niedriger als 0 V ist). Diese Vorspannung induziert einen Strom zwischen dem Kraftkontakt 610b und dem Kraftkontakt 614b (wegen V = IR), und das Magnetfeld B treibt die Ladungsträger dieses induzierten Stroms in Bezug auf die obere ebene Fläche des Substrats, abhängig von der Richtung des Magnetfelds B, nach oben oder nach unten. Weil das Spannungspotential am Messkontakt S2 (612a) auf 0,5 V geklemmt wird und die Rückkopplungsschaltung FB2 nicht erlaubt, dass ein Strom in S2 bzw. aus S2 gezogen wird (S2 wird nur für die Spannungsmessung verwendet), wird jeder Hall-Strom I_hall, abhängig von der Richtung und vom Betrag von B, in den Kraftkontakt F2 612b abgeleitet oder daraus injiziert. FB2 (oder ein Strommessgerät an einer anderen Stelle) kann den in F2 612b injizierten oder daraus abgeleiteten Hall-Strom messen und dadurch das entsprechende Magnetfeld bestimmen.
In 7B ändert die Steuereinrichtung 624 zu einer zweiten Zeit den Zustand des Schaltnetzes 636, um die Ströme/Spannungen für das erste und das dritte Kontaktpaar 610, 614 ”zu wechseln”, während das zweite Kontaktpaar 612 auf 0,5 V geklemmt bleibt (beispielsweise ist FB1 626 an F3/S3 614 gekoppelt und ist FB3 630 an F1/S1 610 gekoppelt). Dieses ”Wechseln” bewirkt, dass ein neuer Strom I_Hall' in F2 abgeleitet oder daraus injiziert wird. Der neue Strom I_Hall' ist wiederum proportional zum Magnetfeld B, fließt jedoch wegen der umgeschalteten Vorspannung in entgegengesetzter Richtung zu I_Hall. Falls die Vorrichtung vollkommen symmetrisch wäre, würden die in den 7A und 7B gemessenen Ströme einander vollkommen aufheben, in Wirklichkeit unterscheidet sich der Hall-Strom I_Hall' aus 7B jedoch infolge leichter Unvollkommenheiten in den Geometrien der Vorrichtung und anderer Nichtlinearitäten etwas vom Hall-Strom I_Hall aus 7A. Unter der Annahme, dass das Magnetfeld B zwischen 7A und 7B konstant ist, ergibt sich durch Nehmen der Differenz zwischen I_Hall (7A) und I_Hall' (7B) ein stark verringerter Offset (weil jegliche Fehler zwischen den beiden Kontakten infolge von Herstellungsunvollkommenheiten und dergleichen die Neigung haben, sich gegeneinander aufzuheben). Demgemäß wird das Magnetfeld B mit größerer Genauigkeit gemessen.
7C zeigt den Hall-Sensor 600 zu einer dritten Zeit, zu der die Steuereinrichtung 624 den Zustand des Schaltnetzes 636 geändert hat, so dass die Kraftkontakte und Messkontakte ”gewechselt” wurden. Demgemäß wirken die obere Kontaktreihe (beispielsweise die ersten Kontakte 610a, 612a, 614a) nun als Kraftkontakte und die untere Kontaktreihe (beispielsweise die zweiten Kontakte 610b, 612b, 614b) nun als Messkontakte. 7D zeigt die Hall-Sensoren zu einer vierten Zeit, zu der die Vorspannungen horizontal gewechselt werden. Weil die in diesen gemessenen Strömen inhärenten Spannungsversätze wiederum die Neigung haben, einander aufzuheben, kann der Offset durch iteratives Messen der Ströme und Subtrahieren von ihnen fein abgestimmt werden, und das Magnetfeld kann mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Es ist auch möglich, mit einer leichten Abänderung von 7A zu beginnen, wobei nur S2/F2 in einer ersten Taktphase gewechselt werden, und in einer zweiten Taktphase eine leichte Abänderung von 7B zu verwenden, wobei S2/F2 gewechselt werden. Im Allgemeinen können die Kraft-/Messkontakte in einer beliebigen Permutation geändert werden (beispielsweise Schachbrett). Wenngleich es zahllose Versionen dieser Permutationen gibt, besteht der wichtige Aspekt darin, wie wohldefinierte Potentiale auf das Hall-Gebiet anzuwenden sind und wie der Ausgangsstrom aus der Hall-Vorrichtung zu extrahieren ist, was unter Verwendung der ”aufgeteilten” Kontakte und entsprechenden Rückkopplungsschaltungen erreicht wird.
Es sei bemerkt, dass in anderen (etwas komplizierteren) Fällen die Steuereinrichtung Vin auf S1 legen kann und gleichzeitig S2 auf Masse treiben kann. Bei Nichtvorhandensein eines Magnetfelds ist das Potential bei S3 nicht mehr Vin/2, weil S3 nicht auf halbem Wege zwischen den Messkontakten S1, S2 positioniert ist. Das genaue Potential bei S3 hängt von der Geometrie (lateral und vertikal) der Merkmale der Hall-Effekt-Vorrichtung ab. Das Potential bei S3 liegt bei vielen Arten von Vorrichtungen bei etwa 0,3 V, kann jedoch breit variieren. Um das Potential zu finden, kann es in einem Endtest bei einem B-Feld von Null gemessen werden. Dann kann die Steuereinrichtung programmiert werden, um genau dieses Potential (beispielsweise 0,3 V) während des eigentlichen Betriebs an S3 anzulegen. Nachfolgend würde ein Magnetfeld während des eigentlichen Betriebs wiederum versuchen, das Spannungspotential am Messkontakt S3 zu erhöhen oder zu verringern. Weil S3 jedoch beispielsweise an 0,3 V geklemmt ist, wird stattdessen ein Strom in S3 injiziert oder daraus abgeleitet, wobei der Betrag des bereitgestellten Stroms proportional zum B-Feld ist.
Unabhängig von der jeweiligen angewendeten Vorspannungssequenz werden die jeweiligen ”ersten” und ”zweiten” Kontakte in den Kontaktpaaren 610, 612, 614 zwischen dem Wirken als so genannte ”Kraftkontakte” (es fließt ein Strom durch sie) und so genannte ”Messkontakte” (es fließt kein Strom durch sie, und sie werden verwendet, um das Potential zu messen) geschaltet. Demgemäß können die Begriffe ”Kraftkontakt” und ”Messkontakt” in dieser Hinsicht austauschbar sein, weil Ströme und Spannungen von den verschiedenen Kontakten, abhängig von der betreffenden Zeit, gemessen und/oder injiziert/angelegt werden können.
Auf 6 zurück verweisend sei bemerkt, dass die ersten Kontakte 610a, 612a, 614a entlang einer ersten Linie 616 angeordnet sind, die sich parallel zu einer ersten Achse 618 erstreckt, während die zweiten Kontakte 610b, 612b, 614b entlang einer zweiten Linie 620 angeordnet sind, die sich parallel zur ersten Achse 618 erstreckt.
Die erste und die zweite Linie 616, 620 sind von der ersten Achse 618 um einen Abstand D1 gleich beabstandet, so dass die jeweiligen ersten und zweiten Kontakte symmetrisch um entgegengesetzte Seiten der ersten Achse 618 beabstandet sind. Eine zweite Achse 622, die senkrecht zur ersten Achse 618 ist, läuft durch das zweite Kontaktpaar 612, so dass das erste und das dritte Kontaktpaar 610, 614 um einen Abstand D2 von der zweiten Achse 622 gleich beabstandet sind.
Gemäß einigen Ausführungsformen hat jeder erste und zweite Kontakt äußere Abmessungen, die von etwa 0,2 μm auf einer Seite bis etwa 10 μm auf einer Seite reichen können. Die Kontakte können quadratisch, rechteckig, polygonal sein oder sogar abgerundete Geometrien aufweisen, und mehrere Durchgangslöcher und/oder mehrere Kontaktstopfen können mit jedem ersten und zweiten Kontakt (beispielsweise 610a) gekoppelt sein. Beispielsweise könnte für einen dargestellten rechteckigen Kontakt 610a eine kürzere Seite 632 eine Breite von etwa 1 μm bis etwa 0,2 μm haben, während eine längere Seite 634 eine Länge von etwa 3 μm bis etwa 10 μm haben könnte. Die Länge und Breite können von der Tiefe des Hall-Gebiets abhängen. Beispielsweise könnte ein verhältnismäßig flaches Hall-Gebiet von etwa 1 μm einer Länge von etwa 3 μm entsprechen, während ein tieferes Hall-Gebiet von etwa 5 μm einer Breite von etwa 10 μm entsprechen könnte.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung 500 mit ”aufgeteilten Kontakten”. In Bezug auf das Schaltungsdiagramm aus 4 sei bemerkt, dass jeder Versorgungskontakt S1, S2 in der Hall-Effekt-Vorrichtung aus 5 in zwei Kontakte aufgeteilt worden ist, nämlich einen Kraftkontakt (F) und einen Messkontakt (S). Ähnlich wurde der Hall-Effekt-Kontakt H in einen Kraftkontakt (F) und einen Messkontakt (S) aufgeteilt. Jeder Kraftkontakt weist seinen eigenen Kontaktwiderstand (beispielsweise rF1) auf, ebenso wie jeder Messkontakt (beispielsweise rS1), welche mit einer entsprechenden Rückkopplungsschaltung (beispielsweise FB1) verbunden sind. Während des Betriebs drückt die Rückkopplungsschaltung FB1 I1 in F1, wodurch ein entsprechender Spannungsabfall über rF1 hervorgerufen wird. Es wird jedoch nur ein geringer oder kein Strom in Port S1 von FB1 gezogen, so dass über rS1 nur ein geringer oder kein Spannungsabfall auftritt. Daher ist das Potential an S1 eine sehr genaue Repräsentation des Potentials am Hall-Gebietsanschluss 202a. Daher kann FB1 I1 einstellen, bis das Potential am Hall-Gebiet 202 genau das gewünschte ist, nämlich Vin, was dabei hilft, sehr genaue Magnetfeldmessungen bereitzustellen.
Wie 8 entnommen werden kann, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf drei Kontaktpaare beschränkt, wie zuvor mit Bezug auf 6 erörtert wurde. Vielmehr kann das Konzept auf eine beliebige Anzahl von Kontaktpaaren angewendet werden. 8 zeigt ein solches Beispiel mit vier Kontaktpaaren, wenngleich auch zusätzliche Kontaktpaare verwendet werden könnten. Die Kontakte der Kontaktpaare sind wiederum auf einer ersten und einer zweiten Linie 802, 804 angeordnet, die von einer ersten Achse 806 beabstandet sind und um eine zweite Achse 808, die senkrecht zur ersten Achse 806 ist, symmetrisch angeordnet sind. Die 9A–9D zeigen eine Art eines aufeinander folgenden Anlegens von Vorspannungen (beispielsweise Ströme und Spannungen) an die Kontaktpaare aus 8 in einer zur in den 7A–7D zuvor beschriebenen Weise analogen Art. In einer ersten Taktphase (9A) werden jeweilige Rückkopplungsschaltungen (nicht dargestellt) mit jeweiligen Kontaktpaaren F1-S1, F2-S2, F3-S3, F4-S4 gekoppelt, um Potentiale Vin, k1·Vin, 0 V und k2·Vin (wobei k1 vorzugsweise in der Nähe von 0,5 liegt, jedoch auch von 0,2 bis 0,8 reichen kann: und k2 näher bei 0 V liegt) an S1, S2, S3 bzw. S4 zu erzeugen. Die Differenz der Ströme I2 – I4 ist proportional zum B-Feld.
In einer zweiten Taktphase (9B) werden die jeweiligen Rückkopplungsschaltungen mit Kontaktpaaren F1-S1, F2-S2, F3-S3, F4-S4 gekoppelt, um Potentiale k·Vin, Vin, k·Vin und 0 V (wobei k vorzugsweise in der Nähe von 0,5 liegt, jedoch auch von 0,2 bis 0,8 reichen kann) an S1, S2, S3 bzw. S4 zu erzeugen. Die Differenz der Ströme I1 – I3 ist proportional zum B-Feld. Die Kombination I1 – I3 – (I2 – I4) ist proportional zum B-Feld und hat einen stark unterdrückten Offsetfehler.
In einer dritten Taktphase (9C) wird die in der ersten Taktphase durchgeführte Messung wieder vorgenommen, jedoch mit ausgetauschten Kraftkontakten und Messkontakten. Das Hall-Signal ist I2' – I4', was proportional zum Magnetfeld ist.
In einer vierten Taktphase (9D) wird die in der zweiten Taktphase ausgeführte Messung wieder vorgenommen, jedoch mit ausgetauschten Kraftkontakten und Messkontakten. Das Hall-Signal ist I1' – I3'. Die Kombination [I1 – I3 – (I2 – I4)] + [(I1' – I3') – (I2' – I4')] ist proportional zum B-Feld und zeigt einen sogar noch kleineren Offsetfehler als die obige.
Dieses Spinning-Strom-Schema kann durch Austauschen der positiven und negativen Versorgungsanschlüsse in allen Taktphasen und Wiederholen der Messungen weiter verbessert werden. Beispielsweise können wir in einer fünften Taktphase (nicht dargestellt) die Versorgungsanschlüsse in Bezug auf die dargestellte erste Taktphase (9B) austauschen, so dass die Differenz der Ströme I2'' – I4'' proportional zum B-Feld ist. Falls wir in einer sechsten Taktphase die Versorgungsanschlüsse in Bezug auf die zweite Taktphase (9B) austauschen, ist die Differenz der Ströme I1'' – I3'' proportional zum B-Feld. Falls wir in einer siebten Taktphase die Versorgungsanschlüsse in Bezug auf die dritte Taktphase (9C) austauschen, ist die Differenz der Ströme I2''' – I4''' proportional zum B-Feld. Falls wir in einer achten Taktphase die Versorgungsanschlüsse in Bezug auf die vierte Taktphase (9D) austauschen, ist die Differenz der Ströme I1''' – I3''' proportional zum B-Feld. Schließlich berechnen wir I1 – I2 – I3 + I4 + I1' – I2' – I3' + I4' – (I1'' – I2'' – I3'' + I4'' + I1''' – I2''' – I3''' + I4'''), welche proportional zum B-Feld ist und einen sogar noch kleineren Offsetfehler zeigt als die vorstehend erwähnte. Überdies ist es auch möglich, in 9A beispielsweise F2 mit S2 und F4 mit S4 auszutauschen. Dann befinden sich nicht mehr alle Kraftkontakte in einer einzigen Reihe, sondern es befinden sich nur die Kraftkontakte der Versorgungsanschlüsse in einer Reihe mit den Messkontakten der Hall-Effekt-Anschlüsse (= Signalanschlüsse). Im Prinzip ist es auch möglich, zusätzlich F1 durch S1 auszutauschen. Dies ergibt eine asymmetrische Anordnung von Kraft- und Messkontakten, die wahrscheinlich keinen sehr guten restlichen Offset bereitstellt, aber dennoch bessere Ergebnisse liefern kann als der Stand der Technik.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung 1000, wobei die Kontakte eine etwas andere Konfiguration haben. Wie gemäß früheren Ausführungsformen weist die Hall-Effekt-Vorrichtung 1000 eine leitende Wanne 602 mit einem ersten Leitfähigkeitstyp (beispielsweise n-Typ) auf, die in einem Halbleitersubstrat 604 angeordnet ist und von der Isolationsstruktur 606 umgeben ist. Die dargestellte Hall-Effekt-Vorrichtung 1000 weist wiederum drei Kontaktpaare 610, 612, 614 auf. In diesem Beispiel sind das erste und das dritte Kontaktpaar 610, 614 jedoch jeweils in zwei vertikale Kontakte zerlegt. Die an die verschiedenen Kontakte angelegten Vorspannungen und die an den verschiedenen Kontakten gemessenen Ströme können jedoch so gewechselt werden, dass alle Kontakte zu einer Zeit als ein Kraftkontakt und zu einer anderen Zeit als ein Messkontakt wirken, wie zuvor in den 7A–7D beschrieben wurde. Wenngleich es im Allgemeinen vorteilhaft ist, wenn die Kraft- und Messkontakte die gleiche Größe haben, kann die Größe der Kraft- und Messkontakte auch variieren (beispielsweise kann der Kraftkontakt größer sein, damit er einen kleineren Spannungsabfall hat – es gibt keinen Spannungsabfall entlang dem Messweg, weil dort nur ein geringer oder kein Strom fließt), wie durch das erste Kontaktpaar 610 und das dritte Kontaktpaar 614 dargestellt ist.
11 zeigt eine Ausführungsform einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung 1100, die zwei Wannen statt einer einzigen Wanne aufweist. Die Hall-Effekt-Vorrichtung weist eine erste Wanne 1102 auf, welche von einer Isolationsstruktur 1104 umgeben ist, einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und in einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Eine erste Gruppe von Kontaktpaaren 1106 mit jeweiligen ersten und zweiten Kontakten 1108, 1110 ist in der ersten Wanne 1102 angeordnet. Die ersten Kontakte 1108 sind entlang einer ersten Linie 1112 angeordnet, und die zweiten Kontakte 1110 sind entlang einer zweiten Linie 1114 angeordnet, wobei die erste und die zweite Linie 1112, 1114 parallel zu einer ersten Wannenachse 1116 verlaufen, die zwischen der ersten und der zweiten Linie 1112, 1114 angeordnet ist. Eine zweite Wanne 1118, die von einem Isolationsgebiet 1120 umgeben ist, hat den ersten Leitfähigkeitstyp und ist im Halbleitersubstrat angeordnet. Eine zweite Gruppe von Kontaktpaaren 1122, welche jeweilige dritte und vierte Kontakte 1124, 1126 aufweist, ist in der zweiten Wanne 1118 angeordnet. Die dritten Kontakte 1124 sind auf einer dritten Linie 1128 angeordnet, und die vierten Kontakte 1126 sind auf einer vierten Linie 1130 angeordnet, wobei die dritte und die vierte Linie 1128, 1130 parallel zu einer zweiten Wannenachse 1132 verlaufen, die zwischen der dritten und der vierten Linie angeordnet ist. Die Wannen sind nicht notwendigerweise parallel, sondern sie können orthogonal zueinander sein oder unter einem beliebigen Winkel zueinander stehen.
Eine Zwischenverbindungsschicht 1134 koppelt ein erstes Kontaktpaar F1/S1 in der ersten Wanne 1104 mit einem zweiten Kontaktpaar F6/S6 in der zweiten Wanne 1118. Das erste und das zweite Kontaktpaar sind symmetrisch um eine Achse 1136 beabstandet, die zwischen der ersten und der zweiten Wanne verläuft. Das erste und das zweite Kontaktpaar sind auch symmetrisch von einer zweiten Achse beabstandet, die senkrecht zu der zwischen der ersten und der zweiten Wanne verlaufenden Achse steht. Beispielsweise koppelt die Zwischenverbindungsstruktur F1 mit F6 und S1 mit S6, die alle durch FB1 getrieben werden. Die Zwischenverbindungsstruktur koppelt auch F3 mit F4 und S3 mit S4, die alle durch FB2 getrieben werden. Alternativ können S4 durch F4 und/oder S5 durch F5 und/oder S6 durch F6 ausgetauscht werden. Dies ergibt eine große Anzahl möglicher Konfigurationen, von denen jene bevorzugt sind, die ein höheres Maß an geometrischer, thermischer, elektrischer und/oder magnetischer Symmetrie und/oder Symmetrie in Bezug auf mechanische Spannungen an den Vorrichtungen aufweisen.
Ein anderer Hall-Effekt-Sensor ist in den 12A–12B dargestellt, wobei der Hall-Effekt-Sensor 1200 über zwei Wannen aufgeteilt ist. Der Hall-Effekt-Sensor 1200 besteht aus zwei getrennten Hall-Gebieten, von denen jedes drei Kontakte aufweist, wobei die Mittenkontakte beider Wannen (C2, C5) kurzgeschlossen sind. Einer der anderen beiden Kontakte wird als ein Versorgungsanschluss verwendet, und der andere wird als ein Hall-Effekt-Signalanschluss verwendet.
Wie in 12A in einer ersten Taktphase dargestellt ist, sind eine positive Versorgungsspannung an S1 angelegt und eine negative Versorgungsspannung an S4 angelegt. S3 und S6 sind an Zwischenpotentiale geklemmt, und die Differenz I3 – I6 nimmt mit zunehmendem By-Feld zu.
Es sei bemerkt, dass bei einem verschwindenden Magnetfeld I3 – I6 gewöhnlich nicht gleich null ist. Dies ist der systematische Roh-Offset der Vorrichtung.
In einer zweiten Taktphase werden S3 auf die positive Versorgungsspannung gezwungen und S6 auf die negative Versorgungsspannung gezwungen. Dann werden S1 und S4 auf Zwischenpotentiale gezwungen. Idealerweise werden S1 auf das gleiche Potential gezwungen, auf das S3 im ersten Taktzyklus gezwungen wurde, und S6 auf das gleiche Potential gezwungen, auf das S4 im ersten Taktzyklus gezwungen wurde. Die Differenz I4 – I1 nimmt mit zunehmendem By-Feld zu, und ihr systematischer Roh-Offset ist im Betrag gleich dem Roh-Offset der Taktphase 1, diesem jedoch im Vorzeichen entgegengesetzt.
Ein Gesamtsignal I3 – I6 + I4 – I1 hat einen stark verringerten Offset und eine große Empfindlichkeit für das By-Feld.
Es können zwei weitere Taktzyklen #3 und #4 hinzugefügt werden, wobei die Rollen der positiven und negativen Versorgungsspannungen ausgetauscht sind, wobei das Vorzeichen der jeweiligen Signale I3' – I6' und I4' – I1' ausgetauscht wird, so dass sie von I3 – I6 + I4 – I1 – (I3' – I6' + I4' – I1') subtrahiert werden müssen. Dies ergibt insgesamt 4 Taktphasen.
Es können 4 weitere Taktphasen #5, #6, #7, #8 hinzugefügt werden, wobei die Rollen der Kraft- und Messkontakte ausgetauscht sind, wie in 12B dargestellt ist.
In der Taktphase #5 werden eine positive Versorgungsspannung an S1a, S1b und eine negative Versorgungsspannung an S4a, S4b erzeugt, und Zwischenspannungen werden an S3a, S3b und S6a, S6b erzeugt. Dann wird die Stromdifferenz I3'' – I6'' gemessen.
In der Taktphase #6 werden eine positive Versorgungsspannung an S3a, S3b und eine negative Versorgungsspannung an S6a, S6b erzeugt, und Zwischenspannungen werden an S1a, S1b und S4a, S4b erzeugt. Dann wird die Stromdifferenz I4'' – I1'' gemessen.
In der Taktphase #7 werden eine positive Versorgungsspannung an S4a, S4b und eine negative Versorgungsspannung an S1a, S1b erzeugt und Zwischenspannungen an S3a, S3b und S6a, S6b erzeugt. Dann wird die Stromdifferenz I6''' – I3''' gemessen.
In der Taktphase #8 werden eine positive Versorgungsspannung an S6a, S6b und eine negative Versorgungsspannung an S3a, S3b erzeugt und Zwischenspannungen an S1a, S1b und S4a, S4b erzeugt. Dann wird die Stromdifferenz I1''' – I4''' gemessen.
Das Gesamtsignal wird berechnet: I3 – I6 + I4 – I1 – (I3' – I6' + I4' – I1') + I3'' – I6'' + I4'' – I1'' – (I3''' – I6''' + I4''' – I1'''). Es hat einen sehr kleinen restlichen Offsetfehler und eine starke Empfindlichkeit für das Magnetfeld.
Ein Nachteil der Vorrichtung ist der große Roh-Offset infolge der systematischen Differenz der Potentiale beider Hall-Effekt-Anschlüsse in beiden Wannen.
Um diesen großen Roh-Offset zu verringern, können die Wannen und Kontakte symmetrischer angeordnet werden, wie in 13 dargestellt ist. 13 zeigt eine Ausführungsform einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung, die über vier Wannen 1302, 1304, 1306, 1308 aufgeteilt ist. Die Verdrahtung der einzelnen Kontakte ist derart, dass zwei Messkontakte (beispielsweise S3 und S7) und mehrere Kraftkontakte (F3a, F3b, F7a, F7b) mit jeder Rückkopplungsschaltung (beispielsweise FB3) gekoppelt sind. Für die mit einer gegebenen Rückkopplungsschaltung gekoppelten Messkontakte (was beispielsweise über ein Schaltnetz (nicht dargestellt) erreicht werden kann) ist einer von ihnen in einer Wanne mit einem positiven Versorgungsanschluss (beispielsweise S3, falls F1 die positive Versorgung ist) angeordnet und der andere in einer Wanne mit einem negativen Versorgungsanschluss (beispielsweise S7, falls F9 die negative Versorgung ist) angeordnet. Falls diese beiden Messkontakte kurzgeschlossen sind (d. h. ihre jeweiligen Kraftkontakte F3a, F3b, F7a, F7b kurzgeschlossen sind und auch ihre jeweiligen Messkontakte S3, S7 kurzgeschlossen sind), fließt ein großer Differenzstrom bei Abwesenheit von Magnetfeldern über diese Kurzschlüsse: Dieser Strom entspricht dem Roh-Offset der Vorrichtungen. Dieser Kurzschluss zieht das Potential in S3 herunter und in S7 herauf, so dass sie schließlich beide bei der Hälfte der Versorgungsspannung der vertikalen Hall-Vorrichtung liegen. Dann braucht die Rückkopplungsschaltung FB3 nur einen kleinen Strom I3 den Kraftkontakten F3a, F3b, F7a, F7b zuzuführen, um dem statistischen Offset (d. h. einer Fehlanpassung zwischen den Vorrichtungen) und dem angelegten By-Feld Rechnung zu tragen.
Es sei bemerkt, dass die vorstehende Figur ein Schaltungsdiagramm ist, bei dem nur jede Wanne mit ihren Kontakten dem Layout entspricht, wobei nichts über die Orientierung der vier Wannen im Layout ausgesagt wird. Bei einem realen Layout können die vier Wannen in einer Reihe auf einer einzigen horizontalen Linie ausgerichtet sein, oder sie können in einer Spalte auf einer einzigen vertikalen Linie ausgerichtet sein, oder sie können in einer quadratischen Anordnung (beispielsweise einer 2×2-Matrix) ausgerichtet sein.
Es sei bemerkt, dass wir in 13 auch zwei Wannen überspringen können, um die Vorrichtung zu vereinfachen. 11 zeigt ein solches Beispiel. In diesem Fall werden die Potentiale so gezwungen, dass der Strom in beiden Wannen in entgegengesetzten Richtungen fließt: In der ersten Taktphase erzwingt FB1 S1 = S6 = +1 V und S3 = S4 = 0 V und S2 = S5 = 0,5 V. Dann ist die Stromdifferenz I2 – I5 proportional zum Magnetfeld. In einer zweiten Taktphase erzwingt FB1 noch S1 = S6 = +1 V, zu dieser Zeit erzwingt FB3 jedoch 0,5 V (oder einen Wert zwischen 0,2 V und 0,7 V) an S3 und S4 und erzwingen FB2 und FB5 S2 = S5 = 0 V. Dann geht die Stromdifferenz gegen null.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine differenzielle Rückkopplungsschaltung verwendet werden, wie in 15 dargestellt ist. Die differenzielle Rückkopplungsschaltung 1500 hat zwei Spannungseingänge U1, U2 und zwei Stromausgänge I1, I2 und zwei Referenzspannungen Ud, Ucm, und sie steuert I1 und I2 derart, dass U1 – U2 = Ud und (U1 + U2)/2 = Ucm gelten. Die Steuerschleife könnte so aussehen, es sind jedoch viele Modifikationen möglich. Die Schaltung subtrahiert U1 – U2. Ein Transkonduktanzverstärker TCd mit einer hohen Verstärkung in der offenen Schleife vergleicht diesen Wert mit Ud. Falls U1 – U2 > Ud ist, gibt TCd einen großen Strom in die stromgesteuerte Stromquelle CCCSd aus, welche auch einen großen Strom ausgibt (durch den Pfeil am oberen Ende des CCCSd-Symbols symbolisiert). Die Schaltung berechnet auch den Durchschnitt von U1 und U2 (= (U1 + U2)/2), und TCcm vergleicht ihn mit Ucm. Falls (U1 + U2)/2 > Ucm ist, gibt TCcm einen großen Strom in beide stromgesteuerten Stromquellen CCCSm aus, welche einen großen Strom ausgeben. Die Verdrahtung gewährleistet, dass I1 = I(CCCScm) + I(CCCSd) gilt und I2 = I(CCCScm) – I(CCCSd) gilt. Falls Ud = 0 V ist oder Ucm = 0 V ist, wird dies zur Abkürzung im Symbol einfach übersprungen.
Die 16A–16C zeigen ein Beispiel davon, wie die differenzielle Rückkopplungsschaltung 1500 verwendet werden kann. In einer in 16A dargestellten ersten Taktphase erzwingt dFB1 das Potential Usup an S1 und S6, und dFB2 erzwingt 0 V (= Masse) an S3 und S4. dFB3 erzwingt k·Usup an S2 und S5, mit k = 0 ... 1 (vorzugsweise 0,5). Der Strom fließt in der oberen Vorrichtung von F1 nach F3 und in der unteren Vorrichtung von F6 nach F4. Demgemäß fließt der Strom unterhalb von F2 und F5 in entgegengesetzte Richtungen. Falls F2 und F5 daher schwebend wären, würde ein By-Feld bewirken, dass das Potential an F2 abnimmt und das Potential an F5 zunimmt. Bei Abwesenheit von Magnetfeldern würden die Potentiale bei F2 und F5 bei Usup/2 liegen, falls die Vorrichtungen symmetrisch sind. Gewöhnlich sind sie nicht symmetrisch, weil die Dicke der Verarmungsschicht an der Grenze der Vorrichtungen von der Vorspannung in Sperrrichtung abhängt, welche eine Funktion der räumlichen Koordinate ist. Daher ist das Potential an F2 und F5 selbst im Fall verschwindender Felder und einer vollkommenen geometrischen Symmetrie aller Wannen nicht genau 0,5·Usup, sondern vielmehr 0,4·Usup. Dies ist der Grund dafür, dass wir den k-Faktor verwenden können, um diesem Rechnung zu tragen.
Es sei bemerkt, dass es vorteilhaft sein kann, statt 0 V (= Masse) ein etwas höheres Potential (beispielsweise 0,2 ... 0,5 V) an S3, S4 zu erzwingen, weil dies bei F3, F4 ein sogar noch niedrigeres Potential erfordert und in den meisten Systemen Spannungen unterhalb von 0 V nicht verfügbar sind. Falls wir die positive Versorgungsspannung mit Vsupp und die negative Versorgungsspannung mit Vsupn bezeichnen, sollten die Hall-Effekt-Anschlüsse auf Vsupn + k·(Vsupp – Vsupn)/2 gezwungen werden: beispielsweise Vsupp = 1 V, Vsupn = 0,25 V, k = 0,45. Das Ausgangssignal ist I2' – I5'.
In der zweiten Taktphase (16B) besteht der einzige Unterschied zur ersten Taktphase darin, dass Ucm von dFB3 und dFB2 ausgetauscht sind. Das Ausgangssignal ist I3' – I4'.
In der dritten Taktphase (16C) besteht der einzige Unterschied zur zweiten Taktphase darin, dass Ucm von dFB1 und dFB2 ausgetauscht sind. Das Ausgangssignal ist I1' – I6'. Es sei bemerkt, dass es in allen 3 Taktphasen keinen systematischen Roh-Offset gibt (was bedeutet, dass bei einem Magnetfeld von Null und falls es keine statistische Fehlanpassung zwischen den beiden Hall-Gebieten und ihren Kontakten gibt, die Ausgangssignale bei jeder Taktphase verschwinden). Alternativ können F2 und S2 ebenso wie F5 und S5 ausgetauscht werden. Wenngleich vorstehend mehrere Beispiele dargestellt wurden, bei denen die Rückkopplungssteuerschaltungen jeweilige vorgegebene Referenzpotentiale erzeugen (beispielsweise U1, U2, U3 = 1 V, 0,5 V bzw. 0 V in 7A), ist zu verstehen, dass es nicht notwendig ist, dass das Referenzpotential vorgegeben wird. Gemäß anderen Ausführungsformen, die nachstehend mit Bezug auf die 17–19 erörtert werden, kann das Referenzpotential beispielsweise einem dynamischen Potential an einem Messkontakt entsprechen.
17 zeigt eine Vorrichtung mit 5 Kontakten einschließlich Kraft- und Messkontakten gemäß einigen Ausführungsformen. Es sind eine untere Reihe von Messkontakten S1, S2, S3, S4, S5 und eine obere Reihe von Kraftkontakten F1, F2, F3, F4, F5 dargestellt. Aus Gründen der Einfachheit ist ein Schaltnetz nicht dargestellt, wenngleich die Kraftkontakte und die Messkontakte ausgetauscht werden können, wie beispielsweise in vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurde. Die Rückkopplungsschaltungen FB2 und FB3 sind die gleichen wie in 14, und die Rückkopplungsschaltung FB1 ist die gleiche, abgesehen davon, dass der untere Stromanschluss nun mit F4 statt Masse verbunden ist.
Bei dieser Anordnung ist S3 an ein vorgegebenes Referenzpotential von +1,5 V geklemmt, während S1 und S5 an ein vorgegebenes Referenzpotential von +0,5 V geklemmt sind, so dass ein Strom in F3 fließt. Etwa die Hälfte des Stroms in F3 fließt von F3 in einer Bogenform unterhalb von F2 in F1, während die andere Hälfte des Stroms in F3 von F3 unterhalb von F4 nach F5 fließt. Statt dass die Rückkopplungsschaltung FB1 bei S2 und S4 ein gemeinsames Moduspotential erzwingt, erzwingt die Rückkopplungsschaltung FB1, dass die Differenz der Potentiale S2 – S4 null ist (oder ein anderer vorgegebener Wert). Daher funktioniert die Rückkopplungsschaltung FB1 anders als gemäß vorhergehenden Ausführungsformen zwischen den Kontakten 2 und 4 differenziell. Das heißt, dass FB1 die Potentialdifferenz zwischen S2 und S4 misst und einen Strom in F2 injiziert, während der gleiche Strom aus F4 extrahiert wird, so dass S2 – S4 null Volt (oder ein anderer vorgegebener Wert) ist. Der Strom kann auch ein entgegengesetztes Vorzeichen haben, so dass der Strom, abhängig von den Prozessabweichungen und dem angelegten Magnetfeld, aus F2 extrahiert wird und in F4 injiziert wird. Weil Messkontakte S2 und S4 (statt vorgegebener Referenzspannungen von zweckgebundenen Referenzschaltungen) verwendet werden, um FB1 Referenzpotentiale bereitzustellen, ist zu verstehen, dass Rückkopplungsschaltungen dynamische Referenzpotentiale statt vorgegebene Potentiale verwenden können.
In 18 zwingen die Rückkopplungsschaltungen FB3A und FB3B die Spannung zwischen S2 und S4 auf null. FB3A, FB3B messen jeweils die Spannung zwischen S2 und S4, nur Block FB3A zwingt den Strom jedoch zu oder von F4 (jedoch nicht in oder von F2), und nur Block FB3B zwingt den Strom in oder von F2 (jedoch nicht in oder von F4). Es sei bemerkt, dass das Referenzpotential von FB3A das an S2 gemessene Potential ist, welches nicht vorgegeben ist und sich dynamisch ändern kann. Demgemäß kann an Stelle davon, dass das für die Rückkopplungsschaltungen verwendete Referenzpotential eine vorgegebene Referenzspannung ist, die durch eine zweckgebundene Referenzschaltung zugeführt wird (beispielsweise eine Bandlücken-Referenzschaltung oder ein Spannungsteiler), welche U1 in 6 FB1 bereitstellt, kann das Referenzpotential auch durch die Hall-Vorrichtung selbst zugeführt werden (beispielsweise von einem Messkontakt).
In 19 klemmen FB1 den Messkontakt S3 an ein vorgegebenes Potential von 1,5 V und FB2 S1 und S5 auf 0,5 V. Eine differenzielle Rückkopplungsschaltung dFB3 wird verwendet, um S2 – S4 auf ein vorgegebenes differenzielles Potential U_d von null Volt zu zwingen und (S2 + S4)/2 auf ein vorgegebenes gemeinsames Moduspotential U_CM von +1 V zu zwingen. ((S2 + S4)/2 ist das gemeinsame Moduspotential von S2, S4). Demgemäß erzwingt die Schaltung aus 19 nicht nur die Differenz, sondern auch den gemeinsamen Modus, während in den 17–18 nur die Differenzspannung erzwungen wird. Ein anderer Aspekt von 19 besteht darin, dass darin dargestellt ist, wie differenzielle Rückkopplungsschaltungen mit einer Hall-Vorrichtung zu verwenden sind, die nur eine einzige Wanne aufweist. Verglichen damit wurde in den 16A–16C dargelegt, wie differenzielle Rückkopplungsschaltungen mit Zwei-Wannen-Vorrichtungen zu verwenden sind. Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere Implementationen erläutert und beschrieben wurde, können Abänderungen und/oder Modifikationen an den erläuterten Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und vom Schutzumfang der anliegenden Ansprüche abzuweichen. Unter besonderem Bezug auf die verschiedenen von den vorstehend beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführten Funktionen sollen die für die Beschreibung dieser Komponenten verwendeten Begriffe (einschließlich eines Bezugs auf eine ”Einrichtung”), sofern nichts anderes angegeben wird, als einer beliebigen Komponente oder Struktur entsprechend verstanden werden, welche die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (die beispielsweise funktionell gleichwertig ist), wenngleich sie der offenbarten Struktur, welche die Funktion in den hier erläuterten als Beispiel dienenden Implementationen der Erfindung ausführt, nicht strukturell gleichwertig ist. Wenngleich ein spezielles Merkmal der Erfindung in Bezug auf nur eine von mehreren Implementationen offenbart worden sein kann, kann dieses Merkmal zusätzlich mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementationen kombiniert werden, wie es für eine gegebene oder spezielle Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. Ferner sollen die Begriffe ”umfassend”, ”umfasst”, ”habend”, ”hat”, ”mit” oder Varianten davon, in dem Maße, in dem sie in der detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, ähnlich dem Begriff ”aufweisend” als einschließlich verstanden werden.

Claims

Vertikales Hall-Effekt-Sensorsystem, welches auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, welches Folgendes aufweist: ein erstes leitendes Hall-Effekt-Gebiet, das unterhalb einer Fläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, mindestens zwei Versorgungsanschlüsse, die dafür eingerichtet sind, dem ersten Hall-Effekt-Gebiet elektrische Energie zuzuführen, mindestens einen Hall-Signalanschluss, der dafür eingerichtet ist, ein erstes Hall-Signal vom ersten Hall-Effekt-Gebiet bereitzustellen, wobei das erste Hall-Signal ein Magnetfeld angibt, das parallel zur Fläche des Halbleitersubstrats ist und auf das erste Hall-Effekt-Gebiet wirkt, wobei einer oder mehrere der mindestens zwei Versorgungsanschlüsse oder einer oder mehrere von dem mindestens einen Hall-Signalanschluss einen Kraftkontakt und einen Messkontakt aufweisen, und eine Rückkopplungssteuerschaltung, welche Folgendes aufweist: einen Ausgang, der mit dem Kraftkontakt verbunden ist und eine erste Impedanz aufweist, einen Eingang, der mit dem Messkontakt verbunden ist und eine zweite Impedanz aufweist, wobei die zweite Impedanz höher als die erste Impedanz ist, und eine Rückkopplungsschleife zum Einstellen eines Potentials am Ausgang der Rückkopplungssteuerschaltung, bis ein Potential am Eingang der Rückkopplungssteuerschaltung gleich einem Referenzpotential ist.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach Anspruch 1, wobei das Referenzpotential ein vorgegebenes Referenzpotential ist.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Referenzpotential einem an einem Messkontakt gemessenen Potential entspricht.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens zwei Versorgungsanschlüsse und der mindestens eine Hall-Signalanschluss jeweilige Kraftkontakte und jeweilige Messkontakte aufweisen.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach Anspruch 4, wobei die Rückkopplungsschaltung gleichzeitig verschiedene Referenzpotentiale an die jeweiligen Kraftkontakte anlegt, während die jeweiligen Messkontakte verwendet werden, um die jeweiligen an die jeweiligen Kraftkontakte angelegten Potentiale zu überwachen.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jeweilige Versorgungsanschlüsse und jeweilige Hall-Signalanschlüsse jeweilige Kraftkontakte und jeweilige Messkontakte aufweisen und wobei die Rückkopplungsschaltung gleichzeitig mindestens drei verschiedene Referenzpotentiale an die jeweiligen Messkontakte anlegt.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Hall-Signal von einem zum oder vom Kraftkontakt fließenden Strom abgeleitet wird.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der vertikale Hall-Effekt-Sensor in einem Spinning-Strom-Schema betrieben wird, das Versorgungs- und Hall-Signalanschlüsse während des Betriebs wiederholt austauscht.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welcher ferner Folgendes aufweist: ein zweites leitendes Hall-Effekt-Gebiet, das unter der Fläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist und vom ersten leitenden Hall-Effekt-Gebiet durch eine Isolationsstruktur getrennt ist, mindestens zwei Versorgungsanschlüsse, die dafür eingerichtet sind, dem zweiten Hall-Effekt-Gebiet elektrische Energie zuzuführen, mindestens einen Hall-Signalanschluss, der dafür eingerichtet ist, ein zweites Hall-Signal vom zweiten Hall-Effekt-Gebiet bereitzustellen, wobei das zweite Hall-Signal das auf das zweite Hall-Effekt-Gebiet wirkende Magnetfeld angibt, und wobei ein Magnetfeldwert durch Bilden einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Hall-Signal abgeleitet wird.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung, welche Folgendes aufweist: eine leitende Wanne mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, welche in einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, eine Isolationsstruktur, die um einen Umkreis der Wanne angeordnet ist, um die Wanne elektrisch von anderen Halbleitervorrichtungen zu isolieren, die sich außerhalb des Umkreises befinden, mehrere Kontaktpaare mit jeweiligen ersten und zweiten Kontakten in der ersten Wanne, wobei die jeweiligen ersten Kontakte entlang einer ersten Linie parallel zu einer ersten Achse angeordnet sind und wobei die jeweiligen zweiten Kontakte entlang einer zweiten Linie parallel zur ersten Achse angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Linie so voneinander beabstandet sind, dass die jeweiligen ersten und zweiten Kontakte symmetrisch um die erste Achse beabstandet sind, und eine Steuereinrichtung, die dafür ausgelegt ist, zu einer ersten Zeit gleichzeitig ein erstes Potential an einen Kraftkontakt eines ersten Kontaktpaars anzulegen, ein zweites Potential an einen Kraftkontakt eines zweiten Kontaktpaars anzulegen und ein drittes Potential an einen Kraftkontakt eines dritten Kontaktpaars anzulegen, wobei die Steuereinrichtung ferner dafür ausgelegt ist, einen Hall-Effekt-Strom von einem Messkontakt des ersten, des zweiten oder des dritten Kontaktpaars zu messen, während das erste, das zweite und das dritte Potential angelegt sind.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das erste, das zweite und das dritte Potential verschieden sind.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, welche ferner Folgendes aufweist: eine Rückkopplungsschaltung, die mit dem ersten Kontaktpaar gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, das erste Potential an einem Messkontakt des ersten Kontaktpaars durch Bereitstellen eines oder mehrerer Rückkopplungssignale für den Kraftkontakt des ersten Kontaktpaars zu steuern.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Rückkopplungsschaltung Folgendes aufweist: eine Transkonduktanzeingangsstufe mit einem ersten Eingangsknoten, der dafür ausgelegt ist, ein Eingangssignal vom Messkontakt zu empfangen, einem zweiten Eingangsknoten, der dafür ausgelegt ist, ein Referenzsignal zu empfangen, und einem Ausgangsknoten, der dafür ausgelegt ist, einen Strom auszugeben, der zu einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsknoten proportional ist, und eine stromgesteuerte Stromquelle, die dafür ausgelegt ist, den Strom vom Ausgangsknoten zu empfangen und einen Rückkopplungsstrom auf der Grundlage davon zu erzeugen, welcher dem Kraftkontakt des ersten Kontaktpaars bereitgestellt wird.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der vertikale Hall-Effekt-Sensor in einem Spinning-Strom-Schema betrieben wird, welches während des Betriebs wiederholt ändert, wie das erste, das zweite und das dritte Potential in Bezug auf die ersten, zweiten bzw. dritten Kontakte angelegt werden.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der gemessene Hall-Effekt-Strom einem Magnetfeld entspricht, das von der Hall-Effekt-Vorrichtung erfahren wird, während das erste, das zweite und das dritte Potential angelegt sind.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei: die Steuereinrichtung dafür eingerichtet ist, zu einer zweiten Zeit gleichzeitig das erste Potential an den Kraftkontakt des dritten Kontaktpaars, das zweite Potential an den Kraftkontakt des zweiten Kontaktpaars und das dritte Potential an den Kraftkontakt des ersten Kontaktpaars anzulegen.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Steuereinrichtung dafür ausgelegt ist, einen zweiten Hall-Effekt-Strom von einem Messkontakt zu messen, während das erste, das zweite und das dritte Potential während der zweiten Zeit angelegt sind.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung, welche Folgendes aufweist: eine erste Wanne mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, welche in einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, eine erste Anzahl von Kontaktpaaren mit jeweiligen ersten und zweiten Kontakten in der ersten Wanne, wobei die erste Anzahl von Kontaktpaaren gemeinsam entlang einer ersten Linie parallel zu einer ersten Achse angeordnet sind, wobei erste und zweite Kontakte in einem Kontaktpaar aus der ersten Anzahl von Kontaktpaaren so voneinander beabstandet sind, dass sie um die erste Linie symmetrisch ausbalanciert sind, eine zweite Wanne mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, welche im Halbleitersubstrat angeordnet ist, eine zweite Anzahl von Kontaktpaaren mit jeweiligen dritten und vierten Kontakten in der zweiten Wanne, wobei die zweite Anzahl von Kontaktpaaren gemeinsam entlang einer zweiten Linie parallel zur ersten Achse angeordnet sind, wobei dritte und vierte Kontakte in einem Kontaktpaar aus der zweiten Anzahl von Kontaktpaaren so voneinander beabstandet sind, dass sie um die zweite Linie symmetrisch ausbalanciert sind, und eine Zwischenverbindungsschicht, welche ein Kontaktpaar in der ersten Wanne mit einem Kontaktpaar in der zweiten Wanne koppelt.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung nach Anspruch 18, welche ferner Folgendes aufweist: eine Steuereinrichtung, die dafür ausgelegt ist, zu einer ersten Zeit gleichzeitig ein erstes Potential an einen ersten Kontakt eines ersten Kontaktpaars anzulegen, ein zweites Potential an einen ersten Kontakt eines zweiten Kontaktpaars anzulegen und ein drittes Potential an einen ersten Kontakt eines dritten Kontaktpaars anzulegen, wobei die Steuereinrichtung ferner dafür ausgelegt ist, einen Hall-Effekt-Strom von einem zweiten Kontakt zu messen, während das erste, das zweite und das dritte Potential angelegt sind.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach Anspruch 18 oder 19, wobei der zweite Kontakt zum zweiten Kontaktpaar gehört, das zwischen dem ersten und dem dritten Kontaktpaar angeordnet ist.
Vertikaler Hall-Effekt-Sensor nach Anspruch 20, wobei das zweite Potential zwischen dem ersten und dem dritten Potential liegt.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, welche ferner Folgendes aufweist: eine Rückkopplungsschaltung, die mit der Verbindungsschicht gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, ein Potential an Messkontakten der Kontaktpaare in der ersten bzw. der zweiten Wanne zu steuern, indem ein oder mehrere Rückkopplungssignale Kraftkontakten der Kontaktpaare in der ersten und der zweiten Wanne bereitgestellt werden.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Rückkopplungsschaltung Folgendes aufweist: eine Transkonduktanzeingangsstufe mit einem ersten Eingangsknoten, der dafür ausgelegt ist, ein Eingangssignal von einem Messkontakt eines ersten Kontaktpaars zu empfangen, einem zweiten Eingangsknoten, der dafür ausgelegt ist, ein Referenzsignal zu empfangen, und einem Ausgangsknoten, der dafür ausgelegt ist, einen Strom auszugeben, der zu einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsknoten proportional ist, und eine stromgesteuerte Stromquelle, die dafür ausgelegt ist, den Strom vom Ausgangsknoten zu empfangen und einen Rückkopplungsstrom auf der Grundlage davon zu erzeugen, welcher einem Kraftkontakt des ersten Kontaktpaars bereitgestellt wird.