DE102014201178A1

DE102014201178A1 - Vertikale Hall-Vorrichtung mit hoch leitendem Gegenflächenknoten für einen elektrischen Anschluss von einem ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiet

Info

Publication number: DE102014201178A1
Application number: DE102014201178.7A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2014-07-31
Also published as: US20140210461A1; US9252354B2

Abstract

Eine vertikale Hall-Vorrichtung weist ein erstes Hall-Effekt-Gebiet und ein davon verschiedenes zweites Hall-Effekt-Gebiet, beide in einem gemeinsamen Halbleiterkörper, auf. Das erste und zweite Hall-Effekt-Gebiet haben eine Hauptfläche bzw. eine Gegenfläche. Ein hoch leitender Gegenflächenknoten ist mit der Gegenfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets und der Gegenfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets im Halbleiterkörper in ohmschem Kontakt. Die vertikale Hall-Vorrichtung weist auch ein erstes Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets und ein zweites Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets auf. Eine konvex umschreibende Kontur des zweiten Paares von Kontakten ist von einer konvex umschreibenden Kontur des ersten Paares von Kontakten disjunkt. Alternative Ausführungsformen weisen ein Paar von Kontakten und einen Gegenflächenknotenkontakt auf.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsformen betreffen eine vertikale Hall-Vorrichtung. Weitere Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes parallel zu einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers. Weitere Ausführungsformen betreffen eine vertikale Vierkontakt-Hall-Vorrichtung mit hoch leitender vergrabener Schicht. Weitere Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Betreiben der vertikalen Vierkontakt-Hall-Vorrichtung mit hoch leitender vergrabener Schicht. Weitere Ausführungsformen betreffen eine vertikale Dreikontakt-Hall-Vorrichtung mit vergrabenem Schichtkontakt.
Allgemeiner Stand der Technik
Hall-Vorrichtungen sind Sensoren, die auf ein Magnetfeld ansprechen. Sie leiden typischerweise an einem Versatzfehler: der Versatzfehler ist ein nicht verschwindendes Ausgangssignal bei einem angelegten Magnetfeld von null. Vertikale Hall-Vorrichtungen (VHall) sprechen vorwiegend auf ein Magnetfeld parallel zur Oberfläche des Substrats an.
Es sind eine Reihe verschiedener Ausgestaltungen vertikaler Hall-Vorrichtungen bekannt, aber viele von ihnen sind nicht für das sogenannte Spinning-Current-Verfahren geeignet (oder erreichen nur eine schlechte Versatzlöschungsleistung) und leiden an einer geringen magnetischen Empfindlichkeit und großen elektrischen Feldern. Für gewöhnlich werden mehrere Kontakte auf der Oberfläche des Substrats derart angeordnet, dass Strom in Halbkreisen zwischen zwei Versorgungskontakten fließen kann, während ein Erfassungskontakt zwischen diesen Versorgungskontakten angeordnet ist und die Hall-Spannung abgreift, die durch den Strom erzeugt wird, der unter den Erfassungskontakt abtaucht.
Abhängig von den herzustellenden elektronischen Vorrichtungen und/oder der Halbleiterherstellungstechnologie kann eine hoch leitende, vergrabene Schicht im Halbleiter-Substrat vorhanden sein. Eine vergrabene Schicht ist ein stark dotiertes Gebiet des zum Substrat entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps. Die vergrabene Schicht wird unterhalb der aktiven Vorrichtungsgebiete durch Ionenimplantation angeordnet. Sowohl die Dotierungs- wie auch Beschädigungseigenschaften der vergrabenen Schicht beeinflussen die Leistung der Vorrichtung. Vergrabene Schichtsubstrate können zum Beispiel durch Hochenergieimplantation und schnelle thermische Bearbeitung (Rapid Thermal Annealing) gebildet werden. Wenn eine vergrabene Schicht in dem Halbleitersubstrat vorhanden ist, begrenzt diese typischerweise die verfügbare Tiefe eines Hall-Effekt-Gebiets einer vertikalen Hall-Vorrichtung.
Kurzdarstellung
Ausführungsformen sehen eine vertikale Hall-Vorrichtung vor, die ein erstes Hall-Effekt-Gebiet und ein zweites Hall-Effekt-Gebiet, das vom ersten Hall-Effekt-Gebiet verschieden ist, aufweist. Beide Hall-Effekt-Gebiete befinden sich in einem gemeinsamen Halbleiterkörper. Das erste Hall-Effekt-Gebiet und das zweite Hall-Effekt-Gebiet haben eine Hauptfläche bzw. eine Gegenfläche. Die vertikale Hall-Vorrichtung weist ferner einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt mit der Gegenfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets und der Gegenfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets im Halbleiterkörper auf. Die vertikale Hall-Vorrichtung weist auch ein erstes Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets auf. Ein zweites Paar von Kontakten befindet sich in oder an der Hauptfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets. Eine konvex umschreibende Kontur des zweiten Paares von Kontakten ist von einer konvex umschreibenden Kontur des ersten Paares von Kontakten disjunkt.
Weitere Ausführungsformen sehen eine Erfassungsanordnung vor, die eine vertikale Hall-Vorrichtung und eine weitere vertikale Hall-Vorrichtung aufweist. Die vertikale Hall-Vorrichtung und die weitere vertikale Hall-Vorrichtung weisen jeweils auf: ein erstes Hall-Effekt-Gebiet, ein zweites Hall-Effekt-Gebiet, einen hoch leitenden Gegenflächenknoten, ein erstes Paar von Kontakten und ein zweites Paar von Kontakten. Das zweite Hall-Effekt-Gebiet ist vom ersten Hall-Effekt-Gebiet verschieden, und beide Hall-Effekt-Gebiete befinden sich in einem gemeinsamen Halbleiterkörper. Das erste und zweite Hall-Effekt-Gebiet haben eine Hauptfläche bzw. eine Gegenfläche. Der hoch leitende Gegenflächenknoten steht in ohmschem Kontakt mit den Gegenflächen des ersten Hall-Effekt-Gebiets und des zweiten Hall-Effekt-Gebiets im Halbleiterkörper. Das erste Paar von Kontakten ist in oder an der Hauptfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets vorgesehen. Das zweite Paar von Kontakten ist in oder an der Hauptfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets vorgesehen. Eine konvex umschreibende Kontur des zweiten Paares von Kontakten ist von einer konvex umschreibenden Kontur des ersten Paares von Kontakten disjunkt. Die hoch leitenden Gegenflächenknoten der vertikalen Hall-Vorrichtung und der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung stehen miteinander nicht in ohmschem Kontakt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen, weist ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes parallel zu einer Fläche eines Halbleiterkörpers das Anschließen einer elektrischen Energiequelle an eine vertikale Hall-Vorrichtung auf, wodurch darin ein elektrischer Strom erzeugt wird. Die vertikale Hall-Vorrichtung weist ein erstes Hall-Effekt-Gebiet mit einer Hauptfläche und einer Gegenfläche innerhalb eines Halbleiterkörpers, ein zweites Hall-Effekt-Gebiet mit einer Hauptfläche und einer Gegenfläche innerhalb des Halbleiterkörpers und einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt mit den Gegenflächen sowohl des ersten wie auch zweiten Hall-Effekt-Gebiets auf. Ein erster Pol der elektrischen Energiequelle ist an einen ersten Kontakt angeschlossen, der zu einem ersten Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets gehört. Ein zweiter Pol der elektrischen Energiequelle ist an einen zweiten Kontakt angeschlossen, der zu einem zweiten Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets gehört, so dass ein signifikanter Teil des elektrischen Stroms vom ersten Kontakt über das erste Hall-Effekt-Gebiet, durch den hoch leitenden Knoten und das zweite Hall-Effekt-Gebiet zum zweiten Kontakt oder in entgegengesetzter Richtung fließt. Das Verfahren weist ferner das Erfassen mindestens eines Erfassungssignals an einem dritten Kontakt auf, der zu einem von dem ersten Paar von Kontakten und dem zweiten Paar von Kontakten gehört.
Weitere Ausführungsformen sehen ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes parallel zu einer Fläche eines Halbleiterkörpers unter Verwendung einer Erfassungsanordnung vor, die zwei vertikale Hall-Vorrichtungen aufweist. Jede vertikale Hall-Vorrichtung weist ein erstes Hall-Effekt-Gebiet und ein zweites Hall-Effekt-Gebiet im Halbleiterkörper auf, wobei das erste Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche und eine Gegenfläche hat und das zweite Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche und eine Gegenfläche hat. Jede vertikale Hall-Vorrichtung weist ferner einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt mit der Gegenfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets und der Gegenfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets im Halbleiterkörper auf. Ferner weist jede vertikale Hall-Vorrichtung auch ein erstes Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets auf, wobei ein Abstand der Kontakte des ersten Paares kleiner ist als die zweifache Tiefe des zweiten Hall-Effekt-Gebiets. Ein zweites Paar von Kontakten ist in oder an der Hauptfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets vorgesehen, wobei ein Abstand der Kontakte des zweiten Paares kleiner als die zweifache Tiefe des zweiten Hall-Effekt-Gebiets ist. Die hoch leitenden Gegenflächenknoten beider vertikalen Hall-Vorrichtungen stehen miteinander nicht in ohmschem Kontakt. Das Verfahren weist drei, sechs, neun oder zwölf Taktphasen pro Spinning-Current-Zyklus eines Spinning-Current-Schemas auf, wobei jede Taktphase aufweist: Anschließen eines taktphasenspezifischen ersten Kontakts jeder vertikalen Hall-Vorrichtung an ein Referenzpotential und Anlegen einer Spannung relativ zum Referenzpotential oder Einspeisen eines elektrischen Stroms bei einem taktphasenspezifischen zweiten Kontakt jeder vertikalen Hall-Vorrichtung. Jede Taktphase weist ferner auf: Erfassen von Signalen an den zwei verbleibenden Kontakten pro vertikaler Hall-Vorrichtung, wobei von diesen verbleibenden Kontakten jene Kontakte, deren Signale mit einem angelegten Magnetfeld für eine bestimmte Taktphase steigen, als positive Erfassungskontakte für die Taktphase bezeichnet werden und jene Kontakte, deren Signale mit dem angelegten Magnetfeld für die Taktphase abnehmen, als negative Erfassungskontakte bezeichnet werden. Nach Vollendung des Spinning-Current-Zyklus wird ein Gesamtausgangssignal derart abgeleitet, dass es der Summe der Signale positiver Erfassungskontakte in den verschiedenen Taktphasen minus der Summe der Signale negativer Erfassungskontakte in den verschiedenen Taktphasen entspricht.
Gemäß weiteren Ausführungsformen weist eine vertikale Hall-Vorrichtung ein Hall-Effekt-Gebiet in einem Halbleiterkörper auf, wobei das Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche und eine Gegenfläche hat. Ein hoch leitender Gegenflächenknoten steht mit der Gegenfläche des Hall-Effekt-Gebiets im Halbleiterkörper in ohmschem Kontakt. Die vertikale Hall-Vorrichtung weist ferner ein Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des Hall-Effekt-Gebiets und einen Gegenflächenknotenkontakt in oder an der Hauptfläche des Hall-Effekt-Gebiets auf. Ein Widerstand zwischen dem Gegenflächenknotenkontakt und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten ist kleiner als ein Widerstand zwischen einem Kontakt des Paares von Kontakten und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden anhand der beiliegenden Figuren beschrieben, in welchen:
1 einen schematischen, perspektivischen Querschnitt einer vertikalen Hall-Vorrichtung zeigt, die zwei Hall-Effekt-Gebiete und einen hoch leitenden Gegenflächenknoten aufweist.
2 in einer perspektivischen Ansicht ein Ergebnis einer numerischen Simulation des elektrischen Potentials in einer vertikalen Hall-Vorrichtung mit einem hoch leitenden Gegenflächenknoten zeigt, der zwei Paare von Kontakten aufweist, die rechteckig angeordnet sind.
3 einen schematischen Querschnitt einer vertikalen Hall-Vorrichtung zeigt, die zwei Hall-Effekt-Gebiete und einen hoch leitenden Gegenflächenknoten aufweist.
4 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der vertikalen Hall-Vorrichtung in 3 zeigt.
5 schematisch ein elektrisches Feld und Stromlinien innerhalb eines Hall-Effekt-Gebiets zeigt, das einem Magnetfeld ausgesetzt ist, wenn ein elektrischer Strom einem rechten Kontakt C2 zugeführt und an einem hoch leitenden Gegenflächenknoten des Hall-Effekt-Gebiets entnommen wird.
6 das vertikale Hall-Effekt-Gebiet von 5 mit dem Unterschied zeigt, dass der elektrische Strom dem Hall-Effekt-Gebiet über einen linken Kontakt C1 zugeführt wird.
7 eine schematische Draufsicht einer vertikalen Hall-Vorrichtung zeigt, die zwei Hall-Effekt-Gebiete und zwei Paare von Kontakten aufweist, wobei die Kontakte entlang einer Linie angeordnet sind.
8 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der vertikalen Hall-Vorrichtung zeigt, die in 7 dargestellt ist.
9 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm einer vertikalen Hall-Vorrichtung ähnlich jenem, das in 7 und 8 dargestellt ist, während einer Phase 1 eines Spinning-Current-Schemas wie auch entsprechende Berechnungen zeigt.
10 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm einer vertikalen Hall-Vorrichtung ähnlich jenem, das in 7 und 8 dargestellt ist, während einer Phase 2 eines Spinning-Current-Schemas wie auch entsprechende Berechnungen zeigt.
11 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm einer vertikalen Hall-Vorrichtung ähnlich jenem, das in 7 und 8 dargestellt ist, während einer Phase 3 eines Spinning-Current-Schemas wie auch entsprechende Berechnungen zeigt.
12 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm einer vertikalen Hall-Vorrichtung ähnlich jenem, das in 7 und 8 dargestellt ist, während einer Phase 4 eines Spinning-Current-Schemas wie auch entsprechende Berechnungen zeigt.
13A bis 13N die verschiedenen Ausgestaltungen von Versorgungskontakten und Erfassungskontakten für 14 verschiedene Taktphasen eines Spinning-Current-Schemas und einen vertikalen Hall Sensor zeigen, der zwei vertikale Hall-Vorrichtungen jeweils mit zwei Hall-Effekt-Gebieten aufweist.
14A und 14B eine Tabelle der Gleichungen der Erfassungssignale in 14 verschiedenen Taktphasen zeigen.
15 in einer schematischen, dreidimensionalen Ansicht das elektrische Potential in den zwei vertikalen Hall-Vorrichtungen einer Erfassungsanordnung mit zwei hoch leitendem Gegenflächenknoten zeigt, wobei sich die Kontakte neben den Ecken der Hall-Vertiefung der zwei vertikalen Hall-Vorrichtungen befinden.
16 in einer schematischen, dreidimensionalen Ansicht die vertikale Hall-Vorrichtung aus 15 während einer anderen Taktphase des Spinning-Current-Schemas zeigt.
17 einen Überblick von dreidimensionalen Ansichten von zwölf ausgewählten Taktphasen aus der Tabelle in 14A und 14B zeigt.
18 eine schematische dreidimensionale Ansicht der vertikalen Hall-Vorrichtung aus 15 während Taktphase 9 zeigt.
19 eine schematische dreidimensionale Ansicht der vertikalen Hall-Vorrichtung aus 15 während Taktphase F zeigt.
20 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich 13A während einer Phase 1 eines Spinning-Current-Schemas zeigt.
21 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem in 13B während einer Phase 2 des Spinning-Current-Schemas zeigt.
22 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem von 13D während einer Phase 3 des Spinning-Current-Schemas zeigt.
23 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem von 13C während einer Phase 4 des Spinning-Current-Schemas zeigt.
24 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem von 13E während einer Phase A des Spinning-Current-Schemas zeigt.
25 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem von 13G während einer Phase B des Spinning-Current-Schemas zeigt.
26 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem von 13H während einer Phase C des Spinning-Current-Schemas zeigt.
27 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem von 13F während einer Phase D des Spinning-Current-Schemas zeigt.
28 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem von 13K während einer Phase G des Spinning-Current-Schemas zeigt.
29 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem von 13L während einer Phase H des Spinning-Current-Schemas zeigt.
30 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem von 13M während einer Phase I des Spinning-Current-Schemas zeigt.
31 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors ähnlich jenem von 13N während einer Phase J des Spinning-Current-Schemas zeigt.
32 einen schematischen Querschnitt und ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors während einer Phase 9 des Spinning-Current-Schemas zeigt.
33 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors während einer Phase F des Spinning-Current-Schemas zeigt.
34 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm und entsprechende Berechnungen für einen vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensor während einer Phase 5 des Spinning-Current-Schemas zeigt.
35 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors und entsprechende Berechnungen für eine Phase 6 des Spinning-Current-Schemas zeigt.
36 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors und entsprechende Berechnungen für eine Phase 7 des Spinning-Current-Schemas zeigt.
37 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors und entsprechende Berechnungen für eine Phase 8 des Spinning-Current-Schemas zeigt.
38 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines vertikalen Doppel-Vorrichtungs-Hall-Sensors und entsprechende Berechnungen für eine Phase E des Spinning-Current-Schemas zeigt.
39 eine Kombination aus einem schematischen Querschnitt und einem vereinfachten Schaltungsdiagramm eines vertikalen Hall-Effekt-Gebiets, Messspannungen für verschiedene Magnetfelder, einen mathematischen Ausdruck zur Berechnung der Spannung an den Erfassungskontakten zeigt, während ein elektrischer Strom dem linken Kontakt des vertikalen Hall-Effekt-Gebiets zugeführt wird.
40 eine Kombination aus einem schematischen Querschnitt und einem vereinfachten Schaltungsdiagramm eines vertikalen Hall-Effekt-Gebiets ähnlich 39 zeigt, wobei aber der elektrische Strom dem rechten Kontakt zugeführt wird.
41 das elektrische Potential in einem Querschnitt eines vertikalen Hall-Effekt-Gebiets als Ergebnis einer numerischen Simulation zeigt.
42 das elektrische Potential an der Oberfläche des vertikalen Hall-Effekt-Gebiets in 41 für drei verschiedene Magnetfeldstärken zeigt.
43 das elektrische Potential als Ergebnis einer numerischen Simulation in einem Querschnitt eines vertikalen Hall-Effekt-Gebiets zeigt, das n-dotierte Wannen und n-Source/Draingebiete unterhalb der Oberflächenkontakten aufweist.
44 eine schematische Draufsicht eines Hall-Effekt-Gebiets und mehrere punktförmige Kontaktteile zeigt, die ein Paar von Kontakten bilden.
45 das elektrische Potential an der Oberfläche des vertikalen Hall-Effekt-Gebiets in 43 für drei verschiedene Magnetfeldstärken zeigt.
46 das elektrische Potential als Ergebnis einer numerischen Simulation und einen Querschnitt eines vertikalen Hall-Effekt-Gebiets mit n-dotiertes Wannen zeigt, die weniger tief sind, da sie nur durch punktförmige n+ Source/Drain-Gebiete implantiert sind.
47 das elektrische Potential als Ergebnis einer numerischen Simulation in einem Querschnitt eines vertikalen Hall-Effekt-Gebiets zeigt, das in einem Ui-Zwangsmodus betrieben wird.
48 eine Abhängigkeit der elektrischen Ströme an den Kontakten C1 und C2 von der Magnetfeldstärke zeigt.
49 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer vertikalen Hall-Vorrichtung zeigt, die ein Paar von Kontakten in einer Mitte der Oberfläche des vertikalen Hall-Effekt-Gebiets und zwei Gegenflächenknotenkontakte an einem linken Ende bzw. einem rechten Ende der Oberfläche des vertikalen Hall-Effekt-Gebiets aufweist.
50 das elektrische Potential als Ergebnis einer numerischen Simulation im hoch leitenden Gegenflächenknoten zeigt, wenn die Gegenflächenknotenkontakte an ein hohes elektrisches Potential angeschlossen sind und einer von den Kontakten des mittleren Paares an ein niederes elektrisches Potential angeschlossen ist.
51 in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht ein elektrisches Potential im vertikalen Hall-Effekt-Gebiet während einer Taktphase 3 des Spinning-Current-Schemas zeigt.
52 in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht ein elektrisches Potential im vertikalen Hall-Effekt-Gebiet einer anderen vertikalen Hall-Vorrichtung während einer Taktphase des Spinning-Current-Schemas zeigt.
53 in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht das elektrische Potential in der hoch leitenden Gegenflächenschicht für die in 52 dargestellte Taktphase zeigt.
54 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Magnetfeldes gemäß Ausführungsformen zeigt.
55 eine schematische Ausschnittansicht einer vertikalen Hall-Vorrichtung zeigt, die ein Paar von Kontakten und einen Gegenflächenknotenkontakt aufweist.
56 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines ringförmigen Hall-Effekt-Gebiets und des elektrischen Potentials darin zeigt, das durch eine numerische Simulation simuliert wird.
57 einen Querschnitt durch den Zweig des ringförmigen Hall-Effekt-Gebiets in 56, der die zwei kleinen Kontakte C1, C2 trägt, in einer Spinning-Current-Phase zeigt, wobei C2 als Versorgungsanschluss dient und C1 als Erfassungsanschluss dient.
58 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer vertikalen Hall-Vorrichtung mit einem Hall-Effekt-Gebiet mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt und einem Verbindungsabschnitt zeigt.
59 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer vertikalen Hall-Vorrichtung mit einem Hall-Effekt-Gebiet mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt, einem dritten Abschnitt und zwei Verbindungsabschnitten zeigt.
60 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines vertikalen Hall-Effekt-Gebiets und das elektrische Potential darin zeigt, das durch eine numerische Simulation während einer bestimmten Taktphase des Spinning-Current-Schemas erhalten wird.
61 einen schematischen Querschnitt einer vertikalen Hall-Vorrichtung zeigt, die tiefe p-dotierte Isolierungen enthält, die verhindern, dass ein direkter seitlicher Strom von dem mittleren Paar von Kontakten C1, C2 zum Gegenflächenknotenkontakt C3 strömt.
62 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Hall-Effekt-Gebiets während einer bestimmten Taktphase des Spinning-Current-Schemas zeigt.
63 einen schematischen Querschnitt einer vertikalen Hall-Vorrichtung zeigt, in dem die Kontaktanordnung von 62 mit halbtiefen p-Isolierungen kombiniert ist.
64 einen schematischen Querschnitt einer vertikalen Hall-Vorrichtung zeigt, die zwei Kontakte an der Hauptfläche und einen hoch leitenden Gegenflächenknoten als einen weiteren Kontakt an der Gegenfläche aufweist, wodurch eine Hall-Vorrichtung mit drei Kontakten in einem dreieckigen Muster gebildet wird.
65 schematisch eine Draufsicht auf eine vertikale Hall-Vorrichtung mit Isoliermitteln zeigt, die einen oberflächlichen Stromfluss von einem Gegenflächenknotenkontakt zum dritten Kontakt vermeiden.
66 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Magnetfeldes durch eine vertikale Hall-Vorrichtung zeigt, die ein Hall-Effekt-Gebiet, einen hoch leitenden Gegenflächenknoten, ein Paar von Kontakten und einen Gegenflächenknotenkontakt aufweist.
Ausführliche Beschreibung
Bevor die folgenden Ausführungsformen ausführlich anhand der beiliegenden Figuren beschrieben werden, muss betont werden, dass dieselben Elemente oder Elemente mit derselben Funktionalität mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung von Elementen mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen typischerweise unterlassen wird. Somit sind diese Optionen, die für Elemente mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen vorgesehen sind, wechselseitig austauschbar. In der folgenden Beschreibung sind mehrere Einzelheiten dargelegt, um eine ausführlichere Erklärung von Ausführungsformen zu bieten. Für einen Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass Ausführungsformen ohne diese spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind allgemein bekannte Strukturen und Vorrichtungen in der Form eines Blockdiagramms und nicht im Detail dargestellt, um eine Verschleierung von Ausführungsformen zu vermeiden. Zusätzlich können Merkmale der verschiedenen, in der Folge beschriebenen Ausführungsformen, falls nicht insbesondere anderes angegeben ist, miteinander kombiniert werden.
1 zeigt einen schematischen perspektivischen Querschnitt einer vertikalen Hall-Vorrichtung 100, die zwei Hall-Effekt-Gebiete 110, 120, zwei Paare von Kontakten 210, 220 und einen hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 aufweist. Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 ist insbesondere zum Erfassen eines Magnetfeldes B oder einer Komponente eines Magnetfeldes B gedacht, das parallel zu einer Oberfläche 11 eines Halbleiterkörpers 10 und im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse der zwei Hall-Effekt-Gebiete 110 und 120 liegt. Dennoch sind andere Anwendungen der vertikalen Hall-Vorrichtung 100 nicht ausgeschlossen.
Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 weist das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 und das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 auf, die in einem Halbleiterkörper 10 gebildet oder angeordnet sind. Das erste und zweite Hall-Effekt-Gebiet 110, 120 sind voneinander verschieden (zum Beispiel gemäß der Bedeutung ”verschieden” in der Mengenlehre, das heißt, disjunkt: beide Gebiete 110, 120 haben kein überschneidendes Gebiet). Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 weist ferner den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 auf, der in ohmschem Kontakt zum Boden des ersten Hall-Effekt-Gebiets 110 und des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120 im Halbleiterkörper 10 steht. Der hoch leitende Flächenknoten 16 befindet sich am Boden beider Hall-Effekt-Gebiete 110, 120, der der Oberseite beider Hall-Effekt-Gebiete gegenüberliegt, wo sich die Kontakte 211, 212, 221, 222 befinden. Solange die Kontakte zugänglich sind, ist es irrelevant, welcher von den beiden Kontakten und dem Gegenflächenknoten sich am Boden oder an der Oberseite befindet – der relevante Aspekt ist, dass sich der hoch leitende Gegenflächenknoten an der Gegenfläche der Hall-Effekt-Gebiete zu den Kontakten befindet. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist der hoch leitende Gegenflächenknoten 16 eine hoch leitenden Schicht, die als Teil des Halbleiterkörpers 10 angesehen wird und zwischen einer oberen Halbleiterschicht 14 und einer unteren Halbleiterschicht 18 liegt. Die obere Halbleiterschicht 14 kann zum Beispiel eine Epitaxialschicht sein. Die untere Halbleiterschicht 18 kann zum Beispiel ein Grundmaterial einer Halbleitervorrichtung sein. Unter „ohmschem Kontakt” zwischen zwei Gebieten verstehen wir, dass innerhalb von Betriebsbedingungen der Vorrichtung mindestens ein annähernd lineares Verhältnis zwischen Spannungsabfall über den Kontakt und Strom durch den Kontakt vorliegt. Ein Beispiel für einen solchen ohmschen Kontakt, wie in der Folge verwendet, ist eine n + S/D Diffusion innerhalb einer n-Epitaxialschicht. Ein anderes Beispiel ist eine n-Epitaxialschicht über einer n-vergrabenen Schicht. Somit sind typischerweise Gebiete derselben Dotierungsart in ohmschem Kontakt. Im Gegensatz dazu sind Gebiete entgegengesetzter Dotierungsart keine ohmschen Kontakte. Beispiele für nicht-ohmsche Kontakte sind pn-Übergänge oder Schottky-Übergänge, durch die nennenswerter Strom nur dann fließt, wenn eine Spannung von mindestens (mehreren) hundert Millivolt mit passender Polarität angelegt wird.
Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 weist ferner ein erstes Paar von Kontakten 210 im ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 oder an einer Oberfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets 110 auf. Das erste Paar von Kontakten 210 weist die Kontakte 211 und 212 auf. Ein Abstand der Kontakte 211 und 212 des ersten Paares von Kontakten 210 ist vorzugsweise kleiner als eine Tiefe des ersten Hall-Effekt-Gebiets 110 oder gemäß anderen Ausführungsformen kleiner als das Zweifache dieser Tiefe.
Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 weist auch ein zweites Paar von Kontakten 220 im zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120, oder an einer Oberfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120 auf. Das zweite Paar von Kontakten 220 weist die Kontakte 221 und 222 auf. Ein Abstand der Kontakte 221 und 222 des zweiten Paares von Kontakten 220 ist vorzugsweise kleiner als eine Tiefe des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120 oder gemäß anderen Ausführungsformen kleiner als das Zweifache dieser Tiefe. Eine konvex umschreibende Kontur des zweiten Paares 220 von Kontakten ist von einer konvex umschreibenden Kontur des ersten Paares 210 von Kontakten disjunkt. Dies kann wie folgt ausgedrückt werden: Eine gerade Linie zwischen zwei beliebigen Punkten innerhalb der Kontakte des ersten Paares 210 von Kontakten enthält keinen Punkt innerhalb der Kontakte des zweiten Paares 220 von Kontakten und eine gerade Linie zwischen zwei beliebigen Punkten innerhalb der Kontakte des zweiten Paares 220 von Kontakten enthält keinen Punkt innerhalb der Kontakte des ersten Paares 210 von Kontakten. In einigen Ausführungsformen kann der Abstand der Kontakte des ersten Paares 210 von Kontakten und der Abstand der Kontakte des zweiten Paares 220 von Kontakten kleiner sein als ein Abstand des ersten Paares 210 von Kontakten und des zweiten Paars 220 von Kontakten.
Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 weist ferner Isolierungsmittel 300 zwischen dem ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 und dem zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120 auf. In dem in 1 dargestellten Beispiel sind die Isolierungsmittel 300 als Trennung des ersten Hall-Effekt-Gebiets 110 und des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120 ausgeführt. Die Isolierungsmittel 300 können ein Teil der oberen Schicht 14 des Halbleiterkörpers 10 sein, der zum Beispiel eine andere Dotierungsart als das erste und zweite Hall-Effekt-Gebiet 110, 120 hat. Alternativ können die Isolierungsmittel 300 dieselbe Dotierungsart wie die Hall-Effekt-Gebiete haben. In diesem Fall kann es eine geringere Dotierungskonzentration und somit eine geringere Leitfähigkeit als die Hall-Effekt-Gebiete haben. Wenn die Isolierung 300 dieselbe Dotierungsart wie das Hall-Effekt-Gebiet hat, könnte die Isolierung alternativ durch einen relativ großen Abstand zwischen dem ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiet 110, 120 vorgesehen sein. Alternativ kann eine Isolierung auch durch einen Isolierungsgraben zwischen den Hall-Effekt-Gebieten 110, 120 vorgesehen sein. Es gibt eine Reihe von anderen Ausführungen für die Isolierungsmittel 300, von welchen einige in der Folge ausführlicher dargestellt und erklärt sind.
Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 kann typischerweise wie folgt betrieben werden. Ein elektrischer Strom wird in eines der zwei Hall-Effekt-Gebiete 110, 120, zum Beispiel das erste Hall-Effekt-Gebiet 110, über einen der Kontakte 211, 212 eingespeist. Der andere Kontakt ist typischerweise an eine Schaltung mit hohem Eingangswiderstand angeschlossen, so dass im Wesentlichen kein elektrischer Strom in das oder aus dem ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 über den anderen Kontakt fließen kann. Als ein Beispiel sei angenommen, dass der elektrische Strom in das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 über Kontakt 211 eingespeist und aus dem zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120 über Kontakt 221 entnommen wird. Die Kontakte 212 und 222 sind an eine oder mehrere Schaltungen mit einem hohen Eingangswiderstand angeschlossen, so dass im Wesentlichen kein elektrischer Strom in die oder aus dem ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiet 110, 120 über die Kontakte 212, 222 fließt. Das elektrische Potential der zwei Kontakte 212, 222 kann als ”schwebend” angenommen werden. In der folgenden Beschreibung kann der Ausdruck ”schwebender Kontakt” zur Bezeichnung von Kontakten verwendet werden, die überhaupt nicht an ein Schaltungselement angeschlossen sind, in einer offenen Schaltung verbleiben oder an eine Schaltung mit hohem Eingangswiderstand angeschlossen sind. Der elektrische Strom, der bei Kontakt 211 eingespeist wird, fließt gemäß einer Stromverteilung im ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 zum hoch leitenden Gegenflächenknoten 16. Tatsächlich sind die Isolierungsmittel 300 so gestaltet, dass mindestens 50% eines gesamten elektrischen Stroms, der vom ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 zum zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120 oder umgekehrt fließt, über den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 fließen. Der elektrische Strom fließt dann entlang dem hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 nach rechts in 1, d. h. zum zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120. Unterhalb des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120 verlässt der elektrische Strom den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 und fließt durch das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 zum Kontakt 221 des zweiten Paares von Kontakten 220, gemäß einer Stromdichtenverteilung im zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120. Die Stromverteilung im ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 bewirkt, dass der Kontakt 212 bei einem spezifischen elektrischen Potential ist. Auf gleiche Weise bewirkt die Stromverteilung im zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120, dass der Kontakt 222 bei einem spezifischen elektrischen Potential ist. Ein Magnetfeld B oder eine Komponente eines Magnetfeldes B parallel zu dem Pfeil in 1 hat einen Einfluss auf die Stromverteilung in den zwei Hall-Effekt-Gebieten 110 und 120. Dieser Einfluss des Magnetfeldes (der Komponente) beeinflusst auch die elektrischen Potentiale an den Kontakten 212 und 222. Somit können eine Größe und ein Vorzeichen des Magnetfeldes (der Komponente) B parallel zum Pfeil in 1 aus der Beobachtung und Auswertung mindestens eines der elektrischen Potentiale der Kontakte 212 und/oder 222 bestimmt oder zumindest geschätzt werden.
In dem Beispiel, das schematisch in 1 dargestellt ist, sind die vier Kontakte 211, 212, 221 und 222 entlang einer gemeinsamen Linie angeordnet, im vorliegenden Fall parallel zur Längsachse der vertikalen Hall-Vorrichtung 100. Das erste Paar von Kontakten 210 ist zum zweiten Paar von Kontakten 220 in Bezug auf eine Symmetrieebene symmetrisch, die orthogonal zur Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 10 und parallel zur Richtung des zu erfassenden Magnetfeldes (der Komponente) B liegt. Ferner ist jedes des ersten Paares von Kontakten 210 und des zweiten Paares von Kontakten 220 in Bezug auf sich selbst und auf sein entsprechendes Hall-Effekt-Gebiet 110, 120 symmetrisch. Eine erste Symmetrieebene liegt senkrecht zur Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 10 und parallel zur Längsachse 101 der vertikalen Hall-Vorrichtung 100. Die zweite Symmetrieebene liegt auch senkrecht zur Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 10 und senkrecht zur Längsachse 101 der vertikalen Hall-Vorrichtung 100. Diese zweite Symmetrieebene erstreckt sich zwischen den Kontakten 211 und 212 für das erste Paar von Kontakten 210 und dem ersten Hall-Effekt-Gebiet 110. Für das zweite Paar von Kontakten 220 und das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 erstreckt sich diese zweite Symmetrieebene in der Mitte zwischen den Kontakten 221 und 222. Die Kontakte des ersten Paares 210 und die Kontakte des zweiten Paares 220 können in Bezug auf eine geometrische Vereinigung der ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiete 110, 120 als symmetrisch angesehen werden.
In der in 1 dargestellten vertikalen Hall-Vorrichtung 100 ist der Abstand der Kontakte 211, 212 des ersten Paares 210 im Wesentlichen gleich dem Abstand der Kontakte 221, 222 des zweiten Paares 220. Gemäß alternativen Ausführungsformen kann sich der Abstand der Kontakte des ersten Paares 210 vom Abstand der Kontakte des zweiten Paares 220 um ein gewisses Maß unterscheiden, zum Beispiel um höchstens 10% oder um höchstens 5%. Auf gleiche Weise ist die Größe und die Form der Kontakte des ersten Paares von Kontakten 210 im Wesentlichen mit der Größe und der Form der Kontakte des zweiten Paares von Kontakten 220 in dem in 1 dargestellten Beispiel identisch. In alternativen Ausführungsformen jedoch kann sich zumindest entweder eine Größe und/oder eine Form des ersten Paares von Kontakten 210 von einer Größe und einer Form des zweiten Paares von Kontakten 220 um ein gewisses Maß, zum Beispiel um höchstens 10% oder um höchstens 5%, unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich kann sich zumindest entweder eine Größe und/oder eine Form des ersten Hall-Effekt-Gebiets 110 von einer Größe und einer Form des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120 um ein gewisses Maß unterscheiden, zum Beispiel gemäß einigen weiteren Ausführungsformen um höchstens 10% oder 5%. Noch allgemeiner könnten das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 und das zweite Paar von Kontakten 220 um 90 Grad gedreht werden, so dass sie auf ein um 90 Grad gedrehtes Magnetfeld und nicht auf das dargestellte Magnetfeld reagieren. In diesem Fall könnte die vertikale Hall-Vorrichtung 100 keine bevorzugte Richtung (Längsrichtung) mehr haben, sondern zwei gleichberechtigte Richtungen, die orthogonal zueinander sind und in der Chipebene liegen, d. h. parallel zur Oberfläche 11 sind.
Mit anderen Worten zeigen 1 und auch mindestens einige der anschließenden Figuren eine äußerst symmetrische vertikale Hall-Vorrichtung 100 mit vier Kontakten 211, 212, 221, 222 und einer hoch leitenden Gegenflächenschicht 16. Ohne andere Optionen oder Ausführungen auszuschließen, ist die vertikale Hall-Vorrichtung 100 besonders für Halbleitertechnologien mit einer n-artigen vergrabenen Schicht (nBL) geeignet, die als die hoch leitende Gegenflächenschicht 16 dient. Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 kann hohe magnetische Empfindlichkeit bieten. Ferner kann die vertikale Hall-Vorrichtung 100 gemäß einer Art von Spinning-Current-Verfahren betrieben werden, das den Versatz deutlich unterdrücken kann. Der hoch leitende Gegenflächenknoten 16 ist in 1 als eine Schicht dargestellt, die zweidimensional und parallel zur Oberfläche 11 ist, aber alternativ auch eine Linienform, Streifenform, Punktform, Kreisform, usw. haben könnte. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn der hoch leitende Gegenflächenknoten den Fußabdruck beider Kontakte 211, 212 abdeckt (d. h. er ist so groß, dass der Vorsprung von 211 und 212 vollständig innerhalb des hoch leitenden Gegenflächenknotens liegt). Dies minimiert den Spannungsabfall entlang den Stromlinien, die vom Hall-Gebiet in den hoch leitenden Gegenflächenknoten fließen. Die zweidimensionale Eigenschaft des hoch leitenden Gegenflächenknotens bewirkt ein im Wesentlichen ortsunabhängiges elektrisches Potential an den Gegenflächen des ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiets. Auf diese Weise gehen die Stromlinien effizient – d. h. mit minimalem Spannungsabfall – vom Hall-Effekt-Gebiet zum hoch leitenden Gegenflächenknoten 16. Im Gegensatz dazu würde ein punktförmiger Gegenflächenknoten zu einem Spannungsverlust führen, was suboptimal wäre.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des ersten Hall-Effekt-Gebiets 110 und eines zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120, das vom ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 verschieden ist, wobei beide Hall-Effekt-Gebiete in einem gemeinsamen Halbleiterkörper liegen. Das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 und das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 haben eine Hauptfläche bzw. eine Gegenfläche. 2 zeigt auch den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 einer vertikalen Hall-Vorrichtung. Die vertikale Hall-Vorrichtung, die schematisch in 2 dargestellt ist, unterscheidet sich von der vertikalen Hall-Vorrichtung 100 aus 1 darin, dass die Kontakte 211, 212, 221, 222 rechteckig und nicht entlang einer Linie angeordnet sind. Ein weiterer Unterschied ist, dass das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 und das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 in einer gemeinsamen Vertiefung oder Wanne angeordnet sind, so dass die Isolierungsmittel durch einen relativ großen Abstand zwischen dem ersten Paar von Kontakten 210 und dem zweiten Paar von Kontakten 220 vorgesehen sind. Ein Abstand zwischen dem ersten Paar von Kontakten 210 und dem zweiten Paar von Kontakten 220 kann größer sein als die Tiefe des ersten Hall-Effekt-Gebiets 110 und auch größer als die Tiefe des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120. Ein weiterer Unterschied ist, dass in 2 die Kontakte 211, 212, 221, 222 näher beim Umfang des entsprechenden Hall-Effekt-Gebiets 110, 120 liegen als in 1. Die Anordnung der Kontakte relativ nahe zum Umfang des Hall-Effekt-Gebiets verhindert, dass der elektrische Strom nach außen austreten kann, wenn er stattdessen nach unten zum nBL 16 fließen sollte. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem ein Abstand jedes Kontakts zum Umfang kleiner als die Dicke (oder Tiefe) des Hall-Effekt-Gebiets gewählt wird.
2 zeigt eine blockförmige Hall-Vertiefung 102, die eine rechteckige Haupt(Ober)-Fläche hat, an der zwei Paare von Kontakten 210 und 220 vorhanden sind. Kontakt 211 kann auch als C1 bezeichnet werden. Kontakt 212 kann auch als Kontakt C2 bezeichnet werden. Kontakt 221 kann auch als Kontakt C3 bezeichnet werden. Kontakt 222 kann auch als Kontakt C4 bezeichnet werden. Der Umfang der Hall-Vertiefung 102 ist gegen andere Teile des Substrats oder Halbleiterkörpers 10 (nicht dargestellt) zum Beispiel durch eine Übergangsisolierung oder durch Grabenisolierung isoliert. Die Hall-Vertiefung 102 weist eine Gegenfläche auf, die in (ohmschem) Kontakt mit einer hoch leitenden Schicht 16 (der nBL) steht. Die Kontakte 211, 212, 221, 222 weisen die Form von Streifen mit großem Aspektverhältnis auf. Gemäß einem möglichen Beispiel kann eine Länge der Kontakte 211, 212, 221, 222 ungefähr 10 μm sein und eine Breite kann ungefähr 0,7 μm sein. Zwei streifenförmige Kontakte (zum Beispiel Kontakte 211 und 212) sind in einer ersten Richtung x um etwa 2 μm beabstandet (wenn die Hall-Vertiefung 102 zum Beispiel 6 μm tief ist). Die zwei streifenförmigen Kontakte 221 und 222 sind in dem dargestellten Beispiel von 2 auch in der ersten Richtung x um etwa 2 μm beabstandet. Die zwei Paare von Kontakten 210, 220 sind in einer zweiten Richtung y, die orthogonal zur ersten Richtung liegt, mit einem Abstand getrennt, der länger ist als der Kontaktabstand in jedem Paar 210, 220 und vorzugsweise noch länger als die Tiefe der Hall-Vertiefung 102, z. B. 10 μm. Dieser lange Abstand teilt die Hall-Vertiefung 102 effektiv in die zwei separaten Hall-Gebiete 110, 120 derart, dass es keine enge elektrische Kopplung zwischen ihnen gibt, mit der Ausnahme der gemeinsamen nBL 16. Ein Abstand zwischen dem ersten Paar von Kontakten 210 und dem zweiten Paar von Kontakten 220 ist in dem in 2 dargestellten Beispiel größer als die Tiefe des ersten Hall-Effekt-Gebiets 110 und auch größer als die Tiefe des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120. Dies bedeutet, dass, wenn ein Kontakt C1 oder 211 des ersten Paares von Kontakten C1–C2 (210) zum Einspeisen von Strom in die Vorrichtung verwendet wird und ein Kontakt C3 des zweiten Paares von Kontakten C3–C4 (220) als Masseknoten gehalten wird, während der Kontakt C2 (212) und C4 (222) schwebend bleiben, der Strom vorwiegend von Kontakt C1 nach unten in die nBL 16 fließt, dann in y-Richtung entlang der nBL 16 und schließlich von der nBL 16 nach oben zu Kontakt C3, während nur ein vernachlässigbarer Teil des Stroms (weniger als 50%) vom Kontakt C1 seitlich durch die Hall-Vertiefung 102 in den Kontakt C3 fließt, ohne die nBL 16 zu queren. Jedes Paar von Kontakten 210, 220 ist symmetrisch in Bezug auf die Hall-Vertiefung 102 angeordnet. In der Ausführung, die schematisch in 2 dargestellt ist, werden die Kontakte 211, 212, 221 und 222 mit Abstand zu einem Umfang der Hall-Vertiefung 102 gehalten. Gemäß alternativen Ausführungsformen können sich die Kontakte 211, 212, 221, 222 bis zum Umfang der Hall-Vertiefung erstrecken. Solche Ausgestaltungen könnten jedoch in einigen Fällen aufgrund von Layout-Konstruktionsregeln nicht möglich sein: Dann könnte versucht werden, den Abstand zwischen den Kontakten 211, 212, 221, 222 und den Umfang der Hall-Vertiefung 102 in beide Richtungen (x-Richtung und y-Richtung) auf einen zulässigen minimalen Abstand zu minimieren, der durch die Layout-Konstruktionsregeln definiert ist. Für die magnetische Empfindlichkeit der Vorrichtung ist es typischerweise günstig, wenn sich die Kontakte so nahe wie möglich zum Umfang erstrecken.
Die verschiedenen schraffierten Muster in 2 zeigen das elektrische Potential innerhalb der Hall-Vertiefung 102, wenn Kontakt 221 (C3) bei einem hohen elektrischen Potential ist und Kontakt 211 (C1) bei einem niederen elektrischen Potential ist.
Wie in 2 erkennbar ist, können die Kontakte des ersten Paares 210 und des zweiten Paares 220 als Viereck an den Oberflächen des ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiets 110, 120 angeordnet werden.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer vertikalen Hall-Vorrichtung, die ähnlich der in 1 dargestellten vertikalen Hall-Vorrichtung ist. Die zwei Hall-Effekt-Gebiete 110, 120 sind im Prinzip voneinander isoliert, außer an ihren Gegenflächen, wo sie über eine niederohmige Schicht 16 verbunden sind (z. B. die nBL: im Allgemeinen sind die Hall-Gebiete 110, 120 mit einem Leitfähigkeitstyp und einer Dotierungskonzentration zwischen 10¹⁵...5·10¹⁶/cm³ dotiert. Der hoch leitende Gegenflächenknoten (vergrabener gemeinsamer Knoten) 16 ist vorzugsweise mindestens 20-fach höher mit demselben Leitfähigkeitstyp, z. B. 10¹⁹/cm³, dotiert). Die Hall-Gebiete 110, 120 können Epitaxialschichten mit einer Tiefe von zum Beispiel 6 μm sein. Jedes Hall-Effekt-Gebiet 110, 120 hat zwei Kontakte 211, 212 und 221, 222, die typischerweise von gleicher Geometrie sind. Die Kontakte 211, 212, 221, 222 erstrecken sich typischerweise um nicht mehr als die halbe Dicke des entsprechenden Hall-Effekt-Gebiets 110, 120 in den Halbleiterkörper, d. h. in z-Richtung. Wie bereits oben erwähnt, sind die Kontakte 211, 212, 221, 222 typischerweise (in Bezug sowohl auf die x- wie auch y-Richtung) symmetrisch in den Hall-Effekt-Gebieten 110, 120 angeordnet, und typischerweise auch in Bezug auf eine geometrische Vereinigung des ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiets 110, 120. Der Abstand der Kontakte 211, 212, 221, 222 ist typischerweise kleiner als die Tiefe der Hall-Effekt-Gebiete 110, 120.
Gemäß einigen Ausführungsformen müssen die Hall-Effekt-Gebiete 110 und 120 keine identische Größe aufweisen. Auf gleiche Weise müssen die Kontakte 211 (C1) und 212 (C2) nicht mit den Kontakten 221 (C3) und 222 (C4) identisch sein. Ferner muss die exakte Dotierungskonzentration beider Hall-Effekt-Gebiete 110, 120 gemäß einigen Ausführungsformen nicht identisch sein, aber die Art von Dotierung (n-Dotierung oder p-Dotierung) muss typischerweise identisch sein. Kontakt 212 (C2) kann gegen Kontakt 211 (C1) in einer ersten Richtung (z. B. in der x-Richtung, wie in 3 eingezeichnet) verschoben werden. Kontakt 221 (C3) kann gegen Kontakt 222 (C4) in derselben Richtung (z. B. in der x-Richtung wie in 3 eingezeichnet) oder in einer orthogonalen Richtung (y-Richtung) verschoben werden. Im letztgenannten Fall sollte jeder Kontakt C3 und C4 auch um seinen Mittelpunkt um 90° gedreht werden. Ferner können beide Hall-Effekt-Gebiete 110, 120 zueinander in derselben Richtung wie die Kontakte 211 und 212 verschoben werden (x-Richtung, wie eingezeichnet). Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist Kontakt 222 (C4) gegen Kontakt 221 (C3) in einer ersten Richtung (identisch mit Kontakt 211 und 212 (C1 und C2)) verschoben und das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 ist gegen das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 in einer zweiten Richtung verschoben, die senkrecht zur ersten Richtung liegt, wie schematisch in 2 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform sind die zwei Hall-Effekt-Gebiete 110, 120 seitlich nur durch einen Abstand isoliert – im Prinzip kann diese Ausführungsform so verstanden werden, dass sie nur eine einzige Hall-Vertiefung 102 hat, aber zwei Hall-Effekt-Gebiete 110, 120, wobei das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 (oder eine Grenze davon) seitlich durch Abstände von Kontakten 211 (C1) oder 212 (C2) definiert ist, die kleiner als der Abstand von Kontakten 211 (C1) und 212 (C2) sind. Das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 (oder seine Grenze) kann seitlich durch Abstände von Kontakt 221 (C3) oder 222 (C4) definiert sein, die kleiner sind als der Abstand von Kontakten 211, 212 (C3, C4). Gemäß Ausführungsformen sind die erste und zweite Richtung parallel zu den Rändern eines Halbleiterchips, in dem der vertikale Hall-Sensor gebildet ist. Gemäß alternativen Ausführungsformen kann eine annähernd abstandsbezogene Isolierung zwischen dem ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiet 110, 120 erreicht werden, indem ein Abstand zwischen den ersten und zweiten Kontaktpaaren 210, 220 vorgesehen wird, der mindestens so groß wie die Tiefe der Hall-Effekt-Gebiete 110, 120 ist.
4 zeigt ein schematisches äquivalentes Schaltungsdiagramm der in 3 dargestellten vertikalen Hall-Vorrichtung. Das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 kann durch eine äquivalente Schaltung modelliert werden, die drei Widerstände R₁, R₂ und R₃ aufweist. Das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 kann durch eine äquivalente Schaltung modelliert werden, die drei Widerstände R₅, R₆, und R₇ aufweist.
Für gewöhnlich wird ein Hall-Signal so erzeugt, wie im folgenden Absatz in Bezug auf 5 und 6 erklärt ist. Zur Erklärung, wie ein Hall-Signal erzeugt wird, müssen wir nur eine Hälfte der Vorrichtung betrachten, d. h. eines der Hall-Effekt-Gebiete 110 und 120: nehmen wir an, dass Kontakt 212 (C2) bei hohem Potential ist (= positiver Versorgungsanschluss), Kontakt 211 (C1) schwebend ist (= Erfassungsanschluss) und der Gegenflächenknoten 16 bei niederem elektrischen Potential ist. Dann ergeben sich die Stromlinien, wie schematisch in 5 dargestellt. Einige der Stromlinien fließen im Wesentlichen in vertikaler Richtung von Kontakt 212 (C2) nach unten zum hoch leitenden Gegenflächenknoten 16: sie sind für das Hall-Signal weniger effizient. Andere Stromlinien fließen in Bögen von Kontakt 212 (C2) nach links unterhalb von Kontakt 211 (C1) und nach unten zum hoch leitenden Gegenflächenknoten 16: diese Stromlinien sind für das Hall-Signal wichtiger, das bei Kontakt 211 (C1) erfasst werden kann. Aufgrund der Lorenz-Kraft auf den Ladungsträgern, die vom Magnetfeld ausgeübt wird, wird ein elektrisches Hall-Feld errichtet, das senkrecht zu den Stromlinien liegt. Dieses elektrische Hall-Feld zieht das elektrische Potential bei Kontakt 211 (C1) abhängig von der Polarität des Magnetfeldes B nach oben oder unten. Ohne Einbuße an Verallgemeinerung können wir annehmen, dass das elektrische Potential bei Kontakt 211 (C1) fällt, wenn Kontakt 211 an der rechten Seite der Stromlinien ist, wenn das Magnetfeld in die Zeichnungsebene zeigt. Wo die rechte Seite ist, bezieht sich auf die Richtung, wenn man sich mit den Stromlinien bewegt.
6 zeigt das Hall-Effekt-Gebiet 110 während einer zweiten Betriebsphase, in der die Funktionen der Kontakte 211 (C1) und 212 (C2) umgekehrt sind: Kontakt 211 ist nun der positive Versorgungsanschluss, während Kontakt 212 der schwebende Erfassungskontakt ist. In 6 ist erkennbar, dass das elektrische Potential bei Kontakt 212 (C2) bei einem angelegten Magnetfeld steigt, das in die Zeichnungsebene zeigt, da sich Kontakt 212 an der linken Seite der Stromlinien befindet, bezogen auf eine Richtung des elektrischen Stromflusses.
7 zeigt eine schematische Draufsicht einer vertikalen Hall-Vorrichtung und 8 zeigt einen schematischen Querschnitt und ein schematisches äquivalentes Schaltungsdiagramm der vertikalen Hall-Vorrichtung. In den folgenden 9 bis 12 ist das schematische äquivalente Schaltungsdiagramm der vertikalen Hall-Vorrichtung in verschiedenen Taktphasen eines Spinning-Current-Schemas dargestellt. Ferner zeigt jede von 9 bis 12 die entsprechenden Gleichungen zur Berechnung der Spannungen der Erfassungskontakte gegen ein Massepotential (Referenzpotential).
In der Folge bedeutet die Notation R_a∥R_b einen Parallelanschluss von Widerstandselementen R_a und R_b.
lu-Vorspannungsbetrieb der Vorrichtung:
Ein möglicher Modus zum Betreiben der Vorrichtung wird als lu-Vorspannung bezeichnet. Strom wird in die Vorrichtung eingespeist und die Spannung wird an den schwebenden Erfassungsstiften in verschiedenen Betriebsphasen abgetastet:
Betriebsphase 1:
9 zeigt schematisch das äquivalente Schaltungsdiagramm der vertikalen Hall-Vorrichtung während einer Taktphase 1 des Spinning-Current-Schemas. Der elektrische Strom I wird in das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 über den Kontakt 211 des ersten Paares von Kontakten 210 eingespeist. Der Kontakt 221 ist an das Massepotential angeschlossen. Die Kontakte 212 und 222 dienen als Erfassungskontakte und sind ”schwebend”. Der Kontakt 212 hat ein elektrisches Potential V₁₂, das durch die Gleichung bestimmt wird, die in 9 gezeigt ist. Der Term Si·By stellt einen Einfluss eines Magnetfeldes im ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 dar. Das elektrische Potential V14 am Kontakt 222 ist auch in 9 als eine entsprechende Gleichung angegeben. Der Term Sj·By entspricht dem Einfluss des Magnetfeldes im zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120.
Die Notation R₅∥(R₆ + R₇) bedeutet, dass ein Widerstand R₅ parallel an einen Serienanschluss von Widerständen R₆ und R₇ angeschlossen ist. Somit gilt R₅∥(R₆ + R₇) = R₅·(R₆ + R₇) / R₅ + R₆ + R₇.
Strom I wird in Kontakt C1 (211) eingespeist, Kontakt C2 (212) ist schwebend, Kontakt C3 (221) geerdet und Kontakt C4 (222) ist schwebend. Das elektrische Potential bei Kontakt C2 (212) ist V12 = I·{R1·R3/(R1 + R2 + R3) + R5∥(R6 + R7) + Si·By}.
Das elektrische Potential bei Kontakt C4 (222) ist V14 = I·{R5·R6/(R5 + R6 + R7) – Sj·By}
Die Quantität Si ist die strombezogene magnetische Empfindlichkeit im ersten Hall-Gebiet 110 und Sj ist die strombezogene magnetische Empfindlichkeit im zweiten Hall-Gebiet 120 (sie können sich aufgrund unterschiedlicher Geometrien oder Dotierung in Gebiet 110 und 120 oder aufgrund einer Nichtlinearität aufgrund eines unterschiedlichen Potentials unterscheiden, sind aber üblicherweise nahezu identisch).
Betriebsphase 2:
10 zeigt das äquivalente Schaltungsdiagramm der vertikalen Hall-Vorrichtung, die schematisch in 7 und 8 dargestellt ist, während einer zweiten Taktphase des Spinning-Current-Schemas. Während der zweiten Taktphase wird der elektrische Strom I in das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 über den Kontakt 212 eingespeist und dem zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120 über den Kontakt 221 entnommen. Ein elektrisches Potential V₂₁ kann am Kontakt 211 beobachtet werden, der nun als Erfassungskontakt dient. Ein elektrisches Potential V₂₄ kann am Kontakt 222 beobachtet werden, der auch als Erfassungskontakt dient, genauso wie in der ersten Taktphase des Spinning-Current-Schemas, das schematisch in 9 dargestellt ist.
Somit wird Strom I in Kontakt C2 (212) eingespeist, Kontakt C1 (211) ist schwebend, Kontakt C3 (221) ist geerdet und Kontakt C4 (222) ist schwebend. Das elektrische Potential bei Kontakt C1 (211) ist V21 = I·{R1·R3/(R1 + R2 + R3) + R5∥(R6 + R7) – Si·By}.
Das elektrische Potential bei Kontakt C4 (222) ist V24 = I·{R5·R6/(R5 + R6 + R7) – Sj·By}.
Betriebsphase 3:
11 zeigt schematisch das äquivalente Schaltungsdiagramm der vertikalen Hall-Vorrichtung von 7 und 8 während einer dritten Taktphase (Phase 3) des Spinning-Current-Schemas. Die Kontakte 211 und 222 sind so gestaltet, dass sie als Versorgungskontakte dienen, d. h., elektrischer Strom I wird dem ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 über den Kontakt 211 zugeführt und dem zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120 über den Kontakt 222 entnommen. Die Kontakte 212 und 221 dienen als Erfassungskontakte. Die Gleichungen für die entsprechenden elektrischen Potentiale V₃₂ und V₃₃ sind auch in 11 angegeben.
Somit wird Strom I in Kontakt C1 (211) eingespeist, Kontakt C2 (212) ist schwebend, Kontakt C4 (222) geerdet, und Kontakt C3 (221) schwebend. Das elektrische Potential bei Kontakt C2 (212) ist V32 = I·{R1·R3/(R1 + R2 + R3) + R7∥(R5 + R6) + Si·By}.
Das elektrische Potential bei Kontakt C3 (221) ist V33 = I·{R6·R7/(R5 + R6 + R7) + Sj·By}.
Betriebsphase 4:
12 zeigt schematisch das äquivalente Schaltungsdiagramm der vertikalen Hall-Vorrichtung für eine vierte Taktphase des Spinning-Current-Schemas, in der die Kontakte 212 und 222 als Versorgungskontakte dienen und die Kontakte 211 und 221 als Erfassungskontakt dienen. Die Gleichungen für die Erfassungsspannungen V₄₁ und V₄₃ sind auch in 12 angegeben.
Somit wird Strom I in Kontakt C2 (212) eingespeist, Kontakt C1 (211) ist schwebend, Kontakt C4 (222) ist geerdet und Kontakt C3 (221) ist schwebend. Das elektrische Potential bei Kontakt C1 ist V41 = I·{R1·R3/(R1 + R2 + R3) + R7∥(R5 + R6) – Si·By}.
Das elektrische Potential bei Kontakt C3 (221) ist V43 = I·{R6·R7/(R5 + R6 + R7) + Sj·By}.
Bei Untersuchung der Gleichungen der verschiedenen Erfassungsspannungen, die in 9 bis 12 dargestellt sind, ist erkennbar, dass die Erfassungsspannungen V₁₂, V₃₂, V₃₃ und V₄₃ eine positive Abhängigkeit vom Magnetfeld B haben. Die Erfassungsspannungen V₁₄, V₂₁, V₂₄ und V₄₁ haben eine negative Abhängigkeit vom Magnetfeld B.
Es ist auch erkennbar, dass die Erfassungsspannung V₂₄ in Taktphase 2, die in 10 dargestellt ist, mit der Erfassungsspannung V₁₄ von Taktphase 1 in 9 identisch ist. Auf gleiche Weise ist die Erfassungsspannung V₄₃ von Taktphase 4 in 12 mit der Erfassungsspannung V₃₃ von Taktphase 3 in 11 identisch.
Die verschiedenen Erfassungssignale, die während der Taktphasen 1 bis 4 erhalten werden, können miteinander kombiniert werden, insbesondere addiert oder subtrahiert, um den Versatz zu verringern oder im Wesentlichen zu löschen: V₁₂ – V₂₁ = 2·I·S_i·By V₃₂ – V₄₁ = 2·I·S_i·By V₃₃ – V₁₄ = 2·I·S_j·By + I·R₆(R₇ – R₅)/(R₅ + R₆ + R₇) V₄₃ – V₂₄ = 2·I·S_j·By + I·R₆(R₇ – R₅)/(R₅ + R₆ + R₇), wobei S_i und S_j die strombezogenen magnetischen Empfindlichkeiten des ersten Hall-Effekt-Gebiets 110 bzw. des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120 sind. Es ist zu beachten, dass die ersten zwei Signale der obigen vier Signale frei von einem Versatz sind, während das dritte Signal und das vierte Signal nicht frei von einem Versatz sind.
Es ist auch möglich, vier der Erfassungsspannungen wie folgt zu kombinieren: V₁₂ – V₂₁ + V₃₂ – V₄₁ = 4·I·S_i·B V₃₃ – V₁₄ + V₄₃ – V₂₄ = 4·I·S_j·B + 2·I·R₆(R₇ – R₅)/(R₅ + R₆ + R₇)
Dies kann auch als hohes Gleichtaktpotential und niederes Gleichtaktpotential geschrieben werden:

Vhi = V12 – V21 + V32 – V41 ...bei hohem GleichtaktGleichtaktpotential

Vlo = V33 – V14 + V43 – V24 ...bei niederem GleichtaktGleichtaktpotential
Es ist jedoch zu beachten, dass das kombinierte Signal Vlo nicht frei von Versatz ist. Das Problem hat seinen Ursprung darin, dass das elektrische Potential des hoch leitenden Gegenflächenknotens 16 nicht bekannt ist.

Im ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 erhalten wir:

V1...	Potential bei Kontakt C1 (211), wenn Strom I in Kontakt C2 (212) bei einem Null-Magnetfeld eingespeist wird
V2...	Potential bei Kontakt C2 (212), wenn Strom I in Kontakt C1 (211) bei einem Null-Magnetfeld eingespeist wird
V1 – V2 =	I·{R3∥(R1 + R2)·R1/(R1 + R2) –
	– R1∥(R2 + R3)·R3/(R2 + R3)} = 0

Im zweiten Hall-Gebiet 120 jedoch erhalten wir:

V3...	Potential bei Kontakt C3 (221), wenn Kontakt C4 (222) Massepotential bei
	einem Null-Magnetfeld ist
V4...	Potential bei Kontakt C4 (222), wenn Kontakt C3 (221) Massepotential bei
	einem Null-Magnetfeld ist
V3 – V4 =	I·{R7∥(R5 + R6)·R6/(R5 + R6) –
	– R5∥(R6 + R7)·R6/(R6 + R7)} =
	I·R6·(R7 – R5)/(R5 + R6 + R7),

was nicht gleich null ist (solange es die übliche Fehlanpassung zwischen R5 und R7 gibt, obwohl R5 und R7 nominell gleich sein können).

Wenn die Potentiale umgekehrt werden, so dass das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 bei geringerem Potential als das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 ist (d. h., Kontakt C1 oder C2 sind an die Masse angeschlossen und der Strom I wird in Kontakt C3 oder C4 eingespeist), kehrt sich die Situation um: Dann führen die Widerstände R1, R2, R3 zu einer Versatzspannung I·R2·(R1 – R3)/(R1 + R2 + R3), während die Signale des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120 den Versatz (nahezu) perfekt löschen.
Dies bedeutet, dass wir Informationen über die Fehlanpassung von R1–R3 und R5–R7 erhalten können.
Dies wurde für eine einzige Vorrichtung (Einrichtungsbetrieb) erklärt, es ist aber auch möglich, zwei Vorrichtungen unterschiedlich zu betreiben: wir fügen dann eine zweite Vorrichtung 100' hinzu (angegeben durch gestrichene Parameter), die derart an ihre eigene Stromversorgung oder eine gemeinsame Stromversorgung angeschlossen ist, dass die Erfassungsstifte beider Hall-Gebiete 110' und 120' eine entgegengesetzte Signalabhängigkeit zu den Erfassungsstiften der Hall-Gebiete 110 und 120 der ersten vertikalen Hall-Vorrichtung 100 zeigen. Beispiel: in einer Betriebsphase ist C1 ein Versorgungsstift, in den ein Strom I in die erste Vorrichtung eingespeist wird. In derselben Betriebsphase ist C2' ein Versorgungsstift, in den ein Strom I' in die zweite Vorrichtung 100' eingespeist wird. Dann wird die Spannung zwischen C2 und C1' abgetastet und auf dieselbe Weise wie die Spannung bei C2 im Einrichtungsbetrieb verarbeitet.
13A bis 13N zeigen schematisch 14 verschiedene Taktphasen eines Hall-Sensors, der zwei vertikale Hall-Vorrichtungen 100 und 100' aufweist, die in einem Gegentakt betrieben werden. Für gewöhnlich sind die zwei vertikalen Hall-Vorrichtungen 100, 100' parallel zueinander orientiert, aber es ist auch möglich, sie winkelig anzuordnen, so dass eine Vorrichtung auf eine Komponente B_Y des Magnetfeldes anspricht, die zur y-Richtung parallel ist, und die andere vertikale Hall-Vorrichtung auf eine Komponente B_x des Magnetfeldes anspricht, die zur x-Richtung parallel ist, oder Kombinationen davon. In Ausgestaltungen, in welchen der Hall-Sensor so gestaltet ist, dass er nur eine einzige Komponente des Magnetfeldes erfasst, wird diese Komponente einfach in der Folge mit dem Buchstaben ”B” bezeichnet. Die Parameter und Elemente der zweiten Vorrichtung 100' sind mit gestrichenen Bezugszeichen angegeben: z. B. wird der Strom, der in die erste Vorrichtung 100 eingespeist wird, mit I bezeichnet, während der Strom, der in die zweite Vorrichtung 100' eingespeist wird, als I' bezeichnet wird (I und I' können gleich sein oder eine gleiche Größe haben, aber dies ist nicht unbedingt erforderlich). In der Folge bezeichnet die Nummerierung oder die Reihenfolge des Auftretens der Phasen, wie ”Phase 1” oder ”Phase B” keine Reihenfolge. Vielmehr sind dies lediglich Bezeichnungen, die sich auf bestimmte Vorspannungsbedingungen der vertikalen Hall-Vorrichtungen 100 und 100' beziehen.
Die Phasen können in jeder Reihenfolge ausgeführt werden und die Reihenfolge von 13A bis 13N zeigt nur ein mögliches Beispiel. Die Erfassungsspannungen, die in 13A bis 13N dargestellt sind, folgen der anschließenden Nomenklatur: das erste Zeichen ”V” steht für ”Spannung”, das zweite Zeichen kann eine Zahl oder ein Buchstabe sein und gibt die Taktphase des Spinning-Current-Schemas an; das dritte Zeichen ist eine Zahl zwischen 1 und 4, die den Erfassungskontakt an der ersten vertikalen Hall-Vorrichtung 100 angibt, der in Verbindung mit der Erfassungsspannung von Interesse verwendet wird, und das vierte Zeichen ist eine gestrichene Zahl zwischen 1' und 4', die den Erfassungskontakt der zweiten vertikalen Hall-Vorrichtung 100' angibt, der in Verbindung mit der Erfassungsspannung von Interesse verwendet wird. Zum Beispiel steht V121' für die Spannung, die während der Taktphase 1 zwischen dem zweiten Kontakt C2 der ersten vertikalen Hall-Vorrichtung 100 und dem ersten Kontakt C1' der zweiten vertikale Hall-Vorrichtung 100' erfasst wird.
Betriebsphase 1 (Fig. 13A):

Strom I eingespeist in C1, C2 schwebend, C3 geerdet, C4 schwebend.
Strom I' eingespeist in C2', C1' schwebend, C4' geerdet, C3' schwebend.

Spannung zwischen C2 und C1':

V121' = I·{R1·R3/(R1 + R2 + R3) + R5∥(R6 + R7) + Si·By} – – I'·{R1'·R3'/(R1' + R2' + R3') + R7'∥(R5' + R6') – Si'·By}

Spannung zwischen C4 und C3':

V143' = I·{R5·R6/(R5 + R6 + R7) – Sj·By} – I'·{R6'·R7'/(R5' + R6' + R7') + Sj'·By}

Betriebsphase 2 (Fig. 13B):

Strom I eingespeist in C2, C1 schwebend, C3 geerdet, C4 schwebend.
Strom I' eingespeist in C1', C2' schwebend, C4' geerdet, C3' schwebend.

Spannung zwischen C1 und C2':

V212' = I·{R1·R3/(R1 + R2 + R3) + R5∥(R6 + R7) – Si·By} – – I'·{R1'·R3'/(R1' + R2' + R3') + R7'∥(R5' + R6') + Si'·By}

Spannung zwischen C4 und C3':

V243' = I·{R5·R6/(R5 + R6 + R7) – Sj·By} – I'·{R6'·R7'/(R5' + R6' + R7') + Sj'·By} = = V143'

Betriebsphase 3 (Fig. 13D):

Strom I eingespeist in C1, C2 schwebend, C4 geerdet, C3 schwebend.
Strom I' eingespeist in C2', C1' schwebend, C3' geerdet, C4' schwebend.

Spannung zwischen C2 und C1':

V321' = I·{R1·R3/(R1 + R2 + R3) + R7∥(R5 + R6) + Si·By} – – I'·{R1'·R3'/(R1' + R2' + R3') + R5'∥(R6' + R7') – Si'·By}

Spannung zwischen C3 und C4':

V334' = I·{R6·R7/(R5 + R6 + R7) + Sj·By} – I'·{R5'·R6'/(R5' + R6' + R7') – Sj'·By}

Betriebsphase 4 (Fig. 13C):

Strom I eingespeist in C2, C1 schwebend, C4 geerdet, C3 schwebend.
Strom I' eingespeist in C1', C2' schwebend, C3' geerdet, C4' schwebend.

Spannung zwischen C1 und C2':

V412' = I·{R1·R3/(R1 + R2 + R3) + R7∥(R5 + R6) – Si·By} – – I'·{R1'·R3'/(R1' + R2' + R3') + R5'∥(R6' + R7') + Si'·By}

Spannung zwischen C3 und C4':
V434' = I·{R6·R7/(R5 + R6 + R7) + Sj·By} – I'·{R5'·R6'/(R5' + R6' + R7') – Sj'·By} = = V334'
Somit können wir die folgenden Signale kombinieren, die (in dieser linearen Theorie) frei von Versatz sind: V121' – V212' = 2·(I·Si + I'·Si')·By V321' – V412' = 2·(I·Si·By + I'·Si')·By
Ferner können wir die folgenden Signale kombinieren, die nicht frei von Versatz sind: V334' – V143' = I·{R6·R7/(R5 + R6 + R7) – R5·R6/(R5 + R6 + R7)} + + I'·{R6'·R7'/(R5' + R6' + R7') – – R5'·R6'/(R5' + R6' + R7')} + + 2·I·Sj·By + 2·I'·Sj'·By V434' – V243' = I·{R6·R7/(R5 + R6 + R7) – R5·R6/(R5 + R6 + R7)} + I'·{R6'·R7'/(R5' + R6' + R7') – – R5'·R6'/(R5' + R6' + R7')} + + 2·I·Sj·By + 2·I'·Sj'·By
Ferner können wir die Signale über alle vier Betriebsphasen kombinieren:

Vhi = V121' – V212' + V321' – V412'... bei hohem GleichtaktGleichtakt

potential

Vlo = V334' – V143' + V434' – V243'... bei niederem GleichtaktGleicht

aktpotential

Die folgende Tabelle 1 gibt einen Überblick der Signale. Die linke Spalte gibt das Signal an, z. B. in der 1. Zeile V121', das das Signal zwischen C2 und C1' in Phase 1 bezeichnet. Es ist identisch mit

I·R1·R3/(R1 + R2 + R3) + + I·R5∥(R6 + R7) – – I'·R1'·R3'/(R1' + R2' + R3') – – I'·(R5' + R6')∥R7' – – (I + I')·B·cc

wobei cc eine positive Konstante ist und Rx∥Ry den Widerstandswert der Parallelschaltung von Rx und Ry angibt. In Tabelle 1 wird eine abgekürzte Notation verwendet: Zum Beispiel wird anstelle des Ausdrucks R1·R3/(R1 + R2 + R3) die abgekürzte Notation ”13/123” verwendet und anstelle des Ausdrucks R5∥(R6 + R7) wird die abgekürzte Notation ”5∥67” verwendet. Tabelle 1:

V	+I·Widerstands-Terme	+I'·Widerstands-Terme	+B Terme
121'	13/123 + 5∥67	–1'3'/1'2'3' – 5'6'∥7'	+I + I'
143'	56/567	–6'7'/5'6'7'	–I – I'
212'	13/123 + 5∥67	–1'3'/1'2'3' – 5'6'∥7'	–I – I'
321'	13/123 + 56∥7	–1'3'/1'2'3' – 5'∥6'7'	+I + I'
334'	67/567	–5'6'/5'6'7'	+I + I'
412'	13/123 + 56∥7	–1'3'/1'2'3' – 5'∥67	–I – I'
912'	12/123 + 56/567	–2'3'/1'2'3' – 6'7'/5'6'7'	+I + I'
921'	–23/123 + 56/567	1'2'/1'2'3' – 6'7'/5'6'7'	+I + I'
A21'	12/123	–2'3'/1'2'3'	–I – I'
A43'	57/567 + 1∥23	–5'7'/5'6'7' – 1'2'∥3'	+I + I'
B12'	23/123	–1'2'/1'2'3'	+I + I'
B34'	57/567 + 12∥3	–5'7'/5'6'7' – 1'∥2'3'	–I – I'
C34'	57/567 + 1∥23	–5'7'/5'6'7' – 1'2'∥3'	–I – I'
D43'	57/567 + 12∥3	–5'7'/5'6'7' – 1'∥2'3'	+I + I'
F21'	23/123 + 67/567	–1'2'/1'2'3' – 5'6'/5'6'7'	–I – I'

Aus Tabelle 1 ist erkennbar, dass einige Versatzspannungen in einigen Taktphasen mit anderen Versatzspannungen in anderen Taktphasen identisch sind, so dass diese Taktphasen den Versatz löschen können, wenn ihre Signale addiert oder subtrahiert werden, so dass sich ihre B-Terme (d. h. Terme, die vom Magnetfeld B abhängen) addieren. Tabelle 2 zeigt, welche Erfassungsspannungen identische I·Widerstands-Terme und I'·Widerstands-Terme haben (Erfassungsspannungen, die in Tabelle 2 in einer Zeile erscheinen) und somit zum Löschen oder Verringern des Versatzes verwendet werden können, indem sie addiert oder subtrahiert werden. Tabelle 2:
Zum Beispiel gilt V212' – V121' = 2·cc·(I + I')·B, da alle anderen Terme 13/123 + 5∥67 und –1'3'/1'2'3' – 5'∥6'7' löschen.
Natürlich ist es möglich, V212' – V121' + + k1·(V412' – V321') + + k2·(VB34' – VD43') + + k3·(VC34' – VA43') mit willkürlichen k1, k2, k3 zu berechnen. Wenn der Signalpfad effektiv über die Signale in den Phasen integriert wird, müssen die zwei entsprechenden Phasen in jeder Zeile von Tabelle 2 zeitlich exakt gleich lang sein, aber diese Dauer kann sich von der Dauer von anderen zwei entsprechenden Phasen unterscheiden.
Die anderen Signale können wie folgt addiert werden:
+ k4·(–V334' + VF21' – VB12'), wobei k4 willkürlich ist, wie in der folgenden Tabelle 3: Tabelle 3:
... und: + k5·(V143' – V912' + VA21'), wobei k5 willkürlich ist, wie in der folgenden Tabelle 4: Tabelle 4:
In Tabelle 3 und Tabelle 4 sind jene Terme, die im Wesentlichen in verschiedenen Erfassungsspannungen identisch sind, unterstrichen bzw. fett gedruckt, um eine Identifizierung der verschiedenen Paarungen zu erleichtern. Zum Beispiel ist in Tabelle 3 erkennbar, dass der Term ”–67/567” der Erfassungsspannung –V334' in Taktphase 3 mit dem Term ”67/567” der Erfassungsspannung VF21' in Taktphase F gelöscht wird. Andererseits kann der Term ”23/123”, der auch in der Erfassungsspannung VF21' erscheint, durch Addieren der Erfassungsspannung VB12' von Taktphase B gelöscht werden. Wie in Tabellen 3 und 4 erkennbar ist, kann somit eine Addition von drei Erfassungsspannungen von drei verschiedenen Taktphasen in spezifischer Weise im Wesentlichen die verschiedenen versatzrelevanten Terme in diesen drei Erfassungsspannungen löschen, aber die B-Feldrelevanten Terme erhöhen. Dieses Löschungsschema versatzrelevanter Terme in drei oder mehr Erfassungsspannungen kann als kreisförmiges Tauschen in einem Sinn verstanden werden, dass mehr als zwei Erfassungsspannungen notwendig sind, um im Wesentlichen alle versatzrelevanten Terme zu löschen.
Auf Grundlage von Tabellen 1, 2, 3 und 4 ist nun klar, wie ein im Wesentlichen versatzfreies Gesamtsignal erhalten werden kann, nämlich als: Versatzfreies Gesamtsignal = (V212' – V121') + k1·(V412' – V321') + + k2·(VB34' – VD43') + k3·(VC34' – VA43') + + k4·(–V334' + VF21' – VB12') + + k5·(V143' – V912' + VA21') wobei k1, k2, k3, k4, k5 willkürlich sind. Insbesondere kann k1 = k2 = k3 = k4 = k5 = 1 gewählt werden, was Folgendes ergibt: Versatzfreies Gesamtsignal = –V121' + V143' + V212' – V321' – –V334' + V412' – V912' + VA21' – –VA43' – VB12' + VB34' + VC34' – – VD43' + VF21'.
Obwohl jede Reihenfolge einer Abtastung und Addition dieser Terme möglich ist, ist die bevorzugte, zunächst zwei Terme zu addieren, die in derselben Klammer in der vorletzten Gleichung stehen, und dann zwei weitere Terme zu addieren, die in derselben weiteren Klammer stehen. Z. B. Beginn bei V212'–V121' und anschließendes Addieren von V412'–V231') usw...
In der oben gezeigten Abfolge erscheinen einige Signale zweimal (V143' = V243' und V334' = V434' und VA21' = VC21' und VB12' = VD12'). Dies sind alle Signale am geringeren GleichtaktGleichtaktpotential (deren Gleichtaktpotential näher zur Masse ist als zur positiven Versorgungsschiene). Wenn die Signale in jeder der Phasen abgetastet werden, erscheinen diese spezifischen Signale zweimal, was einem Gewichtungsfaktor 2 äquivalent ist. Diese Signale können bei ihrem zweiten Auftreten verworfen werden, aber dies verschwendet elektrische Leistung. Als Alternative, da VF21' – V334' – VB12' versatzfrei ist und auch V143' – V912' + VA21' versatzfrei ist, bedeutet dies, dass auch VF21' und V912' zweimal abgetastet werden müssen. Als Alternative können wir auch VF21' und V912' mit zwei multiplizieren. In einem anderen System erfolgt die Summierung aller Signale durch Integration im Laufe der Zeit: in diesem Fall sollte die Dauer von Phasen 1 und 2 typischerweise exakt gleich sein, um den Versatz proportional zu Strom I in V212' – V121' zu löschen. Dies führt aber dazu, dass V143' die zweifache Dauer von V212' hat, da es bei niederem Gleichtakt in beiden Phasen 1 und 2 erscheint. Daher müssen auch Phasen 9 und F zweimal so lange wie Phase 1 dauern.
In der oben stehenden Tabelle 1 gibt es eine Zeile 921', die nicht im Gesamtsignal verwendet wird. Sie ist nur als ein Beispiel dafür angegeben, dass es viele mögliche andere, verschiedene Vorspannungen und Signale geben kann und dass sie zum Löschen des Versatzes in Kombinationen analog zu den angegeben verwendet werden können. Die oben angegebenen Kombinationen haben alle den Vorteil, dass sie auf das Magnetfeld ansprechen – im Gegensatz dazu können auch Signale konstruiert werden, die von Magnetfeldern unabhängig sind (oder nur eine sehr kleine magnetische Empfindlichkeit haben), aber dennoch einige Informationen über den Versatz tragen (z. B. können wir ein beliebiges unserer oben stehender Signale für die 1. Vorrichtung nehmen und den Massestift durch einen Erfassungsstift und den Versorgungsstift durch einen anderen Erfassungsstift in der 2., gestrichenen Vorrichtung ersetzen: dann hat die Differentialspannung annähernd null magnetische Empfindlichkeit). Diese Signale können auch mit anderen addiert oder von diesen subtrahiert werden, um eine Kombination von Signalen ohne Versatz zu konstruieren. Auf diese Weise ist es möglich, Dutzende von Kombinationen zu konstruieren, die demselben Zweck dienen: Löschen des Versatzes im Gesamtsignal, während trotzdem eine angemessen gute magnetische Empfindlichkeit vorhanden ist.
14A und 14B zeigen eine Tabelle, die die verschiedenen Terme für 27 Erfassungssignale enthält, die in 14 verschiedenen Taktphasen erfasst werden können. 14A deckt die Taktphasen 1, 2, 3, 4, A, B und einen Teil von C ab. 14B deckt die Taktphasen C (teilweise), D, G, H, I, J, 9 und F ab. Jede Zeile der Tabelle entspricht einem Erfassungssignal. Die erste Spalte gibt die Zeilennummer an. Die zweite Spalte enthält die Konfiguration des Erfassungssignals, wie ”V_121'”. Die dritte und vierte Spalte enthalten die widerstandsbezogenen Terme für die erste vertikale Hall-Vorrichtung 100. Die fünfte Spalte enthält den Magnetfeld-abhängigen Term der ersten vertikalen Hall-Vorrichtung 100. Die sechste und siebente Spalte enthält die widerstandsbezogenen Terme für die zweite vertikale Hall-Vorrichtung 100'. Die achte Spalte enthält den Magnetfeld-abhängigen Term der zweiten vertikalen Hall-Vorrichtung 100'. Für Taktphasen G, H, I und J müssen vier zusätzliche magnetische Empfindlichkeiten S_ij, S_ji, S_ij' und S_ji' berücksichtigt werden (alle positiv).
15 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Erfassungsanordnung, die eine vertikale Hall-Vorrichtung 100 und eine weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' aufweist. In 15 ist das elektrische Potential, das durch numerische Simulation bestimmt wird, grafisch dargestellt. Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 weist eine Hall-Vertiefung 102, einen hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 (z. B. eine nBL) und vier Kontakte C₁ bis C₄ auf, die an der Oberfläche der Hall-Vertiefung 102 an den Ecken der ziegelförmigen Hall-Vertiefung 102 angeordnet sind. Die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' hat eine ähnliche Ausgestaltung und ist typischerweise kongruent und/oder symmetrisch zur vertikalen Hall-Vorrichtung 100. Die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' weist eine Hall-Vertiefung 102', eine hoch leitende Gegenflächenschicht 16' und vier Kontakte C₁' bis C₄' auf, die an der Oberfläche und in den vier Ecken an der Oberfläche der Hall-Vertiefung 102' angeordnet sind.
Die Potentialverteilung innerhalb der zwei vertikalen Hall-Vorrichtungen 100 und 100' ist in 15 für den Fall dargestellt, dass +1,435 V an Kontakte C4 und C3' angelegt wird, während Kontakte C2 und C1' geerdet sind. In der Hall-Vertiefung 102 fließt der Großteil des Stroms vom Kontakt C4 zum hoch leitenden Gegenflächenknoten 16, d. h. in vertikale Richtung. Dann fließt er im hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 in y-Richtung (entlang der Längsseite der Vorrichtung). Schließlich fließt er vom hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 nach oben zu Kontakt C2. Beide Kontakte C3 und C1 können zum Abgreifen einer Hall-Spannung verwendet werden. In dieser Betriebsphase ist der hoch leitende Gegenflächenknoten 16 ein funktionelles Teil der Vorrichtung: wenn der hoch leitende Gegenflächenknoten 16 fehlte, würde die Vorrichtung nicht mehr gut funktionieren. In der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung 100' passiert im Grunde dasselbe: der Strom fließt von Kontakt C3' im Wesentlichen vertikal durch den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16', wo er in y-Richtung fließt, bis er den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16' verlässt, und im Wesentlichen nach oben zu Kontakt C1' fließt.
In der Ausführungsform, die schematisch in 15 dargestellt ist, weist jeder der Kontakte C1 bis C4 und C1' bis C4' vier punktförmige Kontaktteile auf, die entlang einer Linie angeordnet sind, die parallel zur Längsachse der Vertiefungen 102 und 102' und der y-Achse verläuft (es sind auch andere Anzahlen von punktförmigen Kontaktteilen als vier Teile möglich, z. B. drei, fünf oder noch mehr Kontaktteile). In 15 und der folgenden 16 ist für einige der Kontakte nur ein punktförmiges Kontaktteil durch eine Bezugslinie zu dem entsprechenden Bezugszeichen, z. B. Kontakte C1 und C2, der deutlichen Darstellung wegen angegeben. Dennoch gehören die anderen punktförmigen Kontaktteile auch zu dem entsprechenden Kontakt. Ein großer Teil jedes Kontakts C1 bis C4, C1' bis C4' wird von einer mitteldotierten Wanne 27, 17-2, 17-3, 17-4 überlappt. Zum Beispiel überlappt ein großer Teil von Kontakt C3 mit der mitteldotierten Wanne 17-3. Tatsächlich sind die vier punktförmigen Kontaktteile von Kontakt C3 teilweise in der mitteldotierten Wanne 17-3 eingebettet. Wenn auch nicht durch entsprechende Bezugszeichen ausdrücklich angegeben, weist die weitere vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung 100' auch vier mitteldotierte Wannen für die vier Kontakte C1' bis C4' auf. Der Grund für diese Anordnung ist, dass die mitteldotierten Wannen (z. B. 17-2) durch die vier kleinen Öffnungen C2 implantiert werden und ihre Tiefe geringer ist, wenn die Öffnungen C2 kleiner sind. Es ist vorteilhaft, eine geringere Tiefe mitteldotierter Wannen zu haben, da dies die magnetische Empfindlichkeit erhöht.
Es ist zu beachten, dass die Vorrichtung oder Erfassungsanordnung auch in Moden betrieben werden kann, in welchen kein Strom durch die Gegenflächenschicht(en) 16, 16' fließt, aber die Gegenflächenschicht(en) noch immer ein wichtiges Funktionsteil ist (sind), da in sie in diesen Moden als Spannungserfassungsleitungen dient (dienen). Dies erfolgt, wenn benachbarte Kontakte als Versorgungsanschlüsse verwendet werden, wie schematisch in 16 dargestellt ist, wo Strom in Kontakt C4 eingespeist wird und Kontakt C3 geerdet ist (Taktphase H). Strom wird auch in Kontakt C3' gespeist und Kontakt C4' ist auch geerdet. In diesem Fall fließt der Strom in jeder Hall-Vertiefung 102, 102' annähernd in einem Halbkreis von Kontakt C4 zu Kontakt C3 (von Kontakt C3' zu Kontakt C4' in der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung 100') und das Potential der Gegenflächenschichten 16, 16' wird vom Magnetfeld in y-Richtung moduliert. Da die Gegenflächenschichten 16, 16' nicht direkt zugänglich sind, kann ihr elektrisches Potential durch Verwendung von Kontakten C1, C2 bzw. C1', C2' abgetastet werden. Dennoch sind diese Kontakte C1, C2, C1', C2' nicht an die Gegenflächenschichten 16, 16' mit niederohmigem Widerstand angeschlossen, so dass eine relativ schlechte Rauschleistung in diesem Modus erwartet wird.
Es ist zu beachten, dass in Taktphase H, die in 16 dargestellt ist, ein Großteil des elektrischen Stroms über eine relativ kurze Strecke von Kontakt C4 zu Kontakt C3 in der Hall-Vertiefung 102 der vertikalen Hall-Vorrichtung 100 fließt, so dass nur ein sehr schwacher elektrischer Strom im fernen Ende der Hall-Vertiefung 102 unterhalb der Kontakte C1 und C2 fließt.
In Ausgestaltungen, in welchen die Gegenflächenschicht(en) 16, 16' zum Leiten von elektrischem Strom verwendet wird (werden), fließt typischerweise ein Großteil (> 30%, manchmal und/oder vorzugsweise > 90%) des Stroms über die Gegenflächenschicht(en).
Während 15 und 16 eine vertikale Vierkontakt-Hall-Vorrichtung zeigen, ist es auch möglich, eine vertikale Dreikontakt-Hall-Vorrichtung vorzuschlagen, die die Gegenflächenschicht 16 oder 16' zum Leiten von Strom verwendet. Während die vertikale Dreikontakt-Hall-Vorrichtung ähnlich der vertikalen Vierkontakt-Hall-Vorrichtung ist, die in 15 und 16 dargestellt ist, besteht ein Unterschied, dass die vertikale Dreikontakt-Hall-Vorrichtung einen Kontakt mit niederohmigem Anschluss an die Gegenflächenschicht und mit vorzugsweise keinem (oder zumindest sehr schwachen) ohmschen Anschluss an die anderen zwei Kontakte hat. Entsprechende Ausführungsformen sind unten in Verbindung mit zum Beispiel 55 bis 66 beschrieben.
17 zeigt einen Überblick über zwölf Taktphasen 1, 2, 3, 4, A, B, C, D, G, H, I und J einer Erfassungsanordnung, die eine erste vertikale Hall-Vorrichtung 100 und eine zweite vertikale Hall-Vorrichtung 100' aufweist. Ferner sind die Ergebnisse der entsprechenden Simulationen in 17 dargestellt.
18 zeigt eine schematische dreidimensionale Ansicht der vertikalen Hall-Vorrichtung aus 15 während Taktphase 9. Das elektrische Potential, das durch numerische Simulation bestimmt wird, ist in 18 dargestellt. Ein elektrischer Strom I wird bei Kontakten C1, C4, C2' und C3' eingespeist und bei Kontakten C2 und C1' entnommen. Kontakte C3 und C4' sind bei Referenzpotential (geerdet). Ein dicht schraffiertes Muster entspricht einem niederen elektrischen Potential (ungefähr Referenzpotential) und keine Schraffierung entspricht einem hohen elektrischen Potential. In jeder der vertikalen Hall-Vorrichtungen 100, 100' sind die Kontakte, bei welchen der elektrische Strom I eingespeist wird, diagonal zueinander: Kontakt C1 ist diagonal zu Kontakt C4, Kontakt C2' ist diagonal zu Kontakt C3'.
19 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht die vertikale Hall-Vorrichtung aus 15 während Taktphase F. Die Taktphase F ist im Wesentlichen umgekehrt zu Taktphase 9: der elektrische Strom I wird bei Kontakten C2, C3, C1' und C4' eingespeist und bei Kontakten C1 und C2' entnommen. Die Kontakte C4 und C3' sind bei Referenzpotential.
20 bis 38 zeigen weitere Einzelheiten der Taktphasen 1 bis 4 (20 bis 23), A bis D (24 bis 27), G bis J (28 bis 31), 9 (32), F (33), 5 bis 8 (34 bis 37) und E (38). Jede der 20 bis 38 zeigt mindestens ein schematisches Schaltungsdiagramm und Gleichungen für die Erfassungssignale, die während der entsprechenden Taktphase gewonnen werden können. Einige der 20 bis 38 zeigen ferner einen schematischen Querschnitt der vertikalen Hall-Vorrichtung 100 und der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung 100'.
Optimale Kombination der Phasen zu einer Spinning-Current-Sequenz:
Die Zeilen (d. h., die Erfassungssignale) der Tabelle in 14A und 14B sind derart zu addieren, dass beide Signale pro Phase verwendet werden und keine verworfen wird.
Beispiel:
Wir können die 1. und die 3. Zeile addieren, um V_121' – V_212' = 2(IS_i + I'S_i')B_y zu erhalten, das versatzfrei ist. Die Phasen 1 und 2 bieten jedoch zwei zusätzliche Signale in der 2. und 4. Zeile. Wie können beide subtrahieren, wodurch null Versatz, aber auch ein Null-Magnetfeldsignal erhalten wird. Dies ist nicht effizient, da wir elektrische Leistung für die Vorrichtungen verwendeten und wir für diese zwei Signale keinen nützlichen Ausgang erhalten. Wenn wir die 2. und 4. Zeile addieren, haben wir ein Signal, aber auch einen starken Versatz. Um den Versatz loszuwerden, können wir zusätzlich die Zeilen 19 und 20 (= Phasen H) verwenden. Wenn wir die Zeilen 2, 4, 19 und 20 addieren, wird – V_143' – V_243' + V_H12' + V_H21' = 2(IS_j + I'S_j' + IS_ji + I'S_ji')B_y erhalten, das versatzfrei ist. Daher ergeben die drei Phasen 1, 2 und H einen vollständigen Spinning-Current-Zyklus mit zwei Signalen, die versatzfrei sind, nämlich V_121' – V_212' und – V_143' – V_243' + V_H12' + V_H21'. Natürlich können beide Signale addiert werden und das Ergebnis hat noch immer null Versatz. Diese Ausgestaltung hat den besonderen Vorteil, dass alle Signale (d. h., die Signale bei niederem und hohen GleichtaktGleichtaktpotential) verwendet werden und somit die elektrische Leistung, die in den Vorrichtungen gestreut wird, optimal genutzt wird.
Dasselbe gilt für Phasen 3, 4 und J: V_321' – V_412' = 2(IS_i + I'S_i')B_y und V_334' + V_434' – V_J12' – V_J21' = 2(IS_j + I'S_j' + IS_ji + I'S_ji')B_y.
Dasselbe gilt für Phasen A, C und G: V_A43', – V_C34' = 2(IS_j + I'S_j')B_y und – V_A21' – V_C21' + V_G34' + V_G43' = 2(IS_i + IS_ij + I'S_i' + I'S_ij')B_y.
Dasselbe gilt für Phasen B, D und I: –V_B34' + V_D43' = 2(IS_j + I'S_j')B_y und V_B12' + V_D12' – V_I34' – V_I43' = 2(IS_i + I'S_i' + IS_ij + I'S_ij')B_y.
Natürlich können wir alle diese Signale gemäß (V_121' – V_212') + c₁(–V_143' – V_243' + V_H12' + V_H21') + c₂(V_321' – V_412') + + c₃(V_334' + V_434' – V_J12' – V_J21') + c₄(V_A43' – V_C34') + c₅(–V_A21' – V_C21' + V_G34' + V_G43') + + c₆(–V_B34' + V_D43') + c₇(V_B12' + V_D12' – V_I34' – V_I43') mit willkürlichen c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, c₆, c₇, vorzugsweise alle mit demselben Vorzeichen, addieren. Eine besondere Wahl ist c₁ = c₂ = c₃ = c₄ = c₅ = c₆ = c₇ = 1.
Es ist zu beachten, dass die GleichtaktGleichtaktpotentiale der Signale verschieden sind: z. B. ist der Gleichtakt des Signals in der 1. Zeile höher als die Hälfte der Versorgungsspannung, der Gleichtakt des Signals in der 2. Zeile ist geringer als die Hälfte der Versorgungsspannung und der Gleichtakt des Signals in Zeilen 19 und 20 ist noch geringer (wenn dieselben Ströme I und I' verwendet werden). Es ist möglich, den Gleichtakt der Signale in Zeilen 19 und 20 um ein gewisses Maß anzuheben. Dies erfolgt einfach durch Anschließen der Klemmen C3 und C4' in Phase H an eine Spannungsquelle anstelle des Massepotentials. Wenn die Hall-Vorrichtungen eine elektrische Nicht-Linearität aufweisen, ändert dies den restlichen Versatz des Spinning-Current-Schemas und diese Extraspannung kann auf ein solches Maß zurechtgeschnitten werden, dass der restliche Versatz minimiert ist.
Es ist zu beachten, dass im Idealfall die Ströme in den zwei vertikalen Hall-Vorrichtungen 100 und 100' identisch sein sollten, I = I', aber selbst wenn sie das nicht sind, verschwindet der restliche Versatz.
Ebenso müssen die strombezogenen magnetischen Empfindlichkeiten nicht identisch sein, damit der Versatz verschwindet, d. h. S_i ≠ S_i' ≠ S_j ≠ S_j' ≠ S_ji ≠ S_ji' ≠ S_ij ≠ S_ij' ist möglich.
Ferner kann das Layout der Vorrichtungen modifiziert werden: es gibt vier Hall-Effekt-Gebiete, jeweils mit zwei Kontakten (Hall-Effekt-Gebiet 1 mit Kontakten C1, C2, Hall-Effekt-Gebiet 2 mit Kontakten C3, C4, Hall-Effekt-Gebiet 3 mit Kontakten C1', C2' und Hall-Effekt-Gebiet 4 mit Kontakten C3', C4'). Es ist möglich, jedes Hall-Effekt-Gebiet um einen individuellen Winkel im Layout zu drehen (d. h. in der xy-Ebene). Dann ist das jeweilige Signal dieses Hall-Effekt-Gebiets zu einer gewissen linearen Kombination von Bx und By proportional (nicht mehr nur By alleine). Dies ändert nichts im restlichen Versatz der Vorrichtung – es verändert nur ihre Empfindlichkeit gegenüber Bx-By-Magnetfeldern. Zum Beispiel können die Hall-Effekt-Gebiete 2 und 4 um 90° gedreht werden; dann sprechen sie auf Bx-Felder und nicht auf By-Felder an. Es ist auch möglich, das Hall-Effekt-Gebiet 1 und 2 um +/–45° zu drehen; dann sind die Potentiale an ihren Signalstiften zu Bx +/– By proportional. Mit diesem Verfahren können zahlreiche Anordnungen ausgeführt werden.
Gemäß der oben stehenden Beschreibung beziehen sich hierin beschriebene Ausführungsformen auf mindestens einen von mindestens drei Aspekten: Ein erster Aspekt ist eine vertikale Hall-Vorrichtung: Sie hat zwei Paare von Klemmen in einer Hall-Vertiefung, wobei die Paare durch einen Abstand getrennt sind, der größer ist als der kürzere der folgenden zwei Abstände: der Abstand jedes Kontakts zu einem hoch leitenden Kurschluss an der Gegenfläche der Hall-Vertiefung oder der Abstand zwischen den zwei Kontakten innerhalb jedes Paares von Kontakten.
Ein zweiter Aspekt ist der Betrieb dieser Vorrichtung auf andere Weise: Es werden zwei Vorrichtungen identischer Topologie (wenn auch nicht unbedingt identischer Größe und Orientierung von Vertiefung oder Kontakten) verwendet. Die erste Vorrichtung ist in einer Weise vorgespannt, dass ein ansteigendes Signal bei positivem angelegtem Magnetfeld erzeugt wird. Die zweite Vorrichtung ist auf eine andere Weise vorgespannt, wie zum Erzeugen eines anderen Signals bei positivem angelegtem Magnetfeld. Vorzugsweise ist die zweite Vorrichtung auf spiegelsymmetrische Weise vorgespannt, wie zum Erzeugen eines fallenden Signals bei positivem angelegtem Magnetfeld. Jede Vorrichtung hat zwei Ausgänge: einen bei einem niederen GleichtaktGleichtaktpotential und einen bei hohem GleichtaktGleichtaktpotential. Die zwei Vorrichtungen liefern schließlich zwei unterschiedliche Signale: eines ist die Differenz von Ausgängen beider Vorrichtungen bei hohem GleichtaktGleichtaktpotential und das andere ist die Differenz von Ausgängen beider Vorrichtungen bei niederem GleichtaktGleichtaktpotential. Die Vorspannung der zwei Vorrichtungen erfolgte derart, dass die Signale sowohl bei hohem wie auch niederem GleichtaktGleichtaktpotential bei verschwindendem Magnetfeld verschwinden oder nahezu verschwinden (d. h. sie sind typischerweise geringer als 10 mV).
Ein dritter Aspekt betrifft ein Betriebsschema, das Ströme an verschiedenen Knoten in verschiedenen Betriebsphasen einspeist und differentielle Ausgangsspannungen abtastet. Wenn die differentiellen Ausgangsspannungen richtig addiert werden, werden Versätze im Wesentlichen gelöscht und das Gesamtsignal hat nur einen sehr geringen Nullpunktfehler.
Der hoch leitende Gegenflächenknoten 16 kann als hoch leitende Schicht, wie eine n-dotierte vergrabene Schicht (nBL), ausgeführt werden. Ein nBL ist jedoch nicht die einzige mögliche Ausführung. Die vorgeschlagene vertikale Hall-Vorrichtung hängt nicht von einer besonderen Art von Technologie ab. Vielmehr bezieht sich mindestens ein weiterer Aspekt auf die Tatsache, dass die vertikale Hall-Vorrichtung zwei Hall-Effekt-Gebiete aufweisen kann, die im Prinzip durch einen Kurzschluss gekoppelt sind, die typischerweise nicht zugänglich ist (da sie sich an der Gegenfläche der Hall-Effekt-Gebiete befindet und möglicherweise sogar vergraben ist).
Der Kurzschluss kann auch einer halbleitenden Schicht (nBL) bestehen. Eine andere Option für den Kurzschluss kann ein vergrabener metallischer Kurzschluss, können Waferdurchkontakte, die an der Gegenfläche des Substrats durch Mittel wie Metalldrähte kurzgeschlossen sind, oder alternative Strukturen sein.
Für gewöhnlich kann (können) die Hall-Vertiefung(en) in einer Epitaxialschicht gebildet sein, aber es sind auch Alternativen für diese Wahl denkbar. Die wesentliche Eigenschaft des Materials der Hall-Vertiefung ist eine große Hall-Mobilität. Vorzugsweise sollte die Leitfähigkeit nicht zu hoch sein, um den Stromverbrauch der Vorrichtung zu begrenzen, wenn sie bei üblichen Versorgungsspannungen von 0,5...3 V betrieben wird.
Es ist nicht wichtig, dass alle vier Kontakte in derselben Hall-Vertiefung sind. Es könnte machbar oder sogar besser sein, wenn zwei separate Hall-Vertiefungen zur Verfügung stünden, die miteinander über ihre nBLs an ihren Gegenflächen verbunden sind. Dies steht aber in einigen derzeitigen Halbleiterprozessen nicht zur Verfügung: Wenn eine Hall-Vertiefung isoliert ist, ist ihre nBL auch unvermeidlich abgeschnitten, die dann nicht mehr zugänglich ist, so dass die Gegenfläche dieser Vertiefung nicht mehr kontaktiert werden kann. Eine mögliche Lösung besteht darin, eine große Hall-Vertiefung zu bilden und zwei Paare von Kontakten in großem Abstand zueinander anzuordnen: dann ist jedes Paar enger an die gemeinsame nBL als an das andere Paar von Kontakten gekoppelt und dies erfüllt den folgenden Zweck: der Strom fließt vertikal nach oben/unten und nicht seitlich zwischen den Paaren von Kontakten. Wenn es keinen leitenden Pfad vom 1. Paar von Kontakten zum 2. Paar von Kontakten mit Ausnahme des vergrabenen leitenden Knotens (Gegenflächenknotens) gibt, gilt das äquivalente Schaltungsdiagramm gemäß 8. Wenn jedoch ein alternativer leitender Pfad zwischen beiden Paaren von Kontakten (wie z. B. in 2, 56 und 59) vorhanden ist, ist ein allgemeineres äquivalentes Schaltungsdiagramm dieser 4-Klemmen-Vorrichtung erforderlich. Ein solches Schaltungsdiagramm ist in dem Artikel "Limits of offset cancellation by the principle of spinning current Hall probe", von Udo Ausserlechner, Proc. of IEEE Sensors, 2004, Seiten 1117–1120, Band 3, angegeben, dessen gesamter Inhalt hiermit zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird.
Natürlich ist es auch möglich, gewisse isolierende Diffusionen zwischen den zwei Paaren von Kontakten einzusetzen: z. B. kann eine umgekehrt vorgespannte p-Wanne helfen zu verhindern, dass Strom in eine Richtung vom 1. Paar von Kontakten 210 zum 2. Paar von Kontakten 220 fließt, ohne durch die nBL 16 zu gehen (dieser Strom würde kein nützliches Hall-Signal erzeugen und wird als Verlust erachtet, der gering zu halten ist). Für eine solche Vorrichtung gilt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm gemäß 8. Es ist zu beachten, dass nach dem Stand der Technik seichte oder halbseichte/halbtiefe, umgekehrt vorgespannte p-Diffusionen zwischen Kontakten, nicht aber zwischen Paaren von Kontakten bekannt sind.
Für die Kontakte ist üblicherweise eine seichte n + S/D-Diffusion oder Emitterdiffusion mit Dotierungswerten von etwa 10¹⁹/cm³ oder höher erforderlich. Es ist auch möglich, weitere n-Vertiefungen wie CMOS-Wannen (mitteldotierte Wannen) um diese seichten Diffusionen herum hinzuzufügen: sie sind weniger leitend als die n + S/D, aber signifikant höher leitend als das aktive Hall-Gebiet (um mindestens einen Faktor 10). Sie können sich tiefer in die Hall-Vertiefung erstrecken (etwa 1...2 μm) und häufig können sie seitlich rechts den Umfang der Hall-Vertiefung erreichen (z. B. ist kein Abstand zum seitlichen Isolierungsgraben notwendig). Dies ist für die magnetische Empfindlichkeit der Vorrichtung vorteilhaft. 15 und 16 zeigen Beispiele solcher weiteren n-Vertiefungen (z. B. CMOS Wannen) 27, 17-2, 17-3 und 17-4.
20 zeigt einen schematischen Querschnitt und ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Erfassungsanordnung, die eine vertikale Hall-Vorrichtung 100 und eine weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' aufweist. Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 ist durch ein Widerstandselementnetz aus sechs Widerstandselementen R₁, R₂, R₃, R₅, R₆ und R₇ dargestellt. Das Widerstandselementnetz der vertikalen Hall-Vorrichtung weist vier Kontakte C₁, C₂, C₃ und C₄ auf. Die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' ist in 20 durch ein Widerstandselementnetz aus sechs Widerstandselementen R₁', R₂', R₃', R₅', R₆' und R₇' dargestellt. Das Widerstandselementnetz der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung 100' sieht auch vier Kontakte C₁', C₂', C₃' und C₄' vor. Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 und die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' können zueinander kongruent sein, müssen dies aber nicht unbedingt sein. Die vertikale Hall-Vorrichtung und die weitere vertikale Hall-Vorrichtung weisen jeweils ein erstes Hall-Effekt-Gebiet und ein zweites Hall-Effekt-Gebiet in einem Halbleiterkörper, einen hoch leitenden Gegenflächenknoten, ein erstes Paar von Kontakten, ein zweites Paar von Kontakten und Isolierungsmittel zwischen dem ersten Hall-Effekt-Gebiet und dem zweiten Hall-Effekt-Gebiet auf. Das erste Hall-Effekt-Gebiet der vertikalen Hall-Vorrichtung ist in 17 durch die Widerstandselemente R₁, R₂ und R₃ dargestellt. Eine strombezogene Empfindlichkeit des ersten Hall-Effekt-Gebiets ist mit S_i bezeichnet. Das zweite Hall-Effekt-Gebiet der vertikalen Hall-Vorrichtung ist durch Widerstandselemente R₅, R₆ und R₇ dargestellt und seine strombezogene Empfindlichkeit ist mit S_j bezeichnet. Bezüglich der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung ist S_i' die strombezogene Empfindlichkeit des ersten Hall-Effekt-Gebiets der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung und S_j' ist die strombezogene Empfindlichkeit des zweiten Hall-Effekt-Gebiets der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung. Zusätzlich, wie oben erwähnt, müssen für einige Taktphasen weitere magnetische Empfindlichkeiten S_ij, S_ji, S_ij' und S_ji' berücksichtigt werden, wenn diese Taktphasen zum Bestimmen eines Messsignals verwendet werden, das das Magnetfeld anzeigt.
20 zeigt die Erfassungsanordnung während einer ersten Phase eines Spinning-Current-Schemas. Ein elektrischer Strom I wird zu Kontakt C₁ der vertikalen Hall-Vorrichtung geleitet. Der Kontakt C3 der vertikalen Hall-Vorrichtung, wie schematisch im linken Teil von 20 dargestellt, ist an die Erde angeschlossen, so dass der elektrische Strom I die vertikale Vorrichtung über Kontakt C3 verlässt (unter Nichtbeachtung möglicher Leckströme). Die Kontakte C₂ und C₄ sind im Wesentlichen schwebend und dienen als Erfassungskontakte.
Unter Betrachtung nun der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung, die schematisch als Schaltungsdiagramm in 20 dargestellt ist, wird ein elektrischer Strom I' der weiteren Hall-Vorrichtung über Kontakt C₂' zugeleitet und verlässt die weitere vertikale Hall-Vorrichtung bei Kontakt C₄' (auch hier unter Nichtbeachtung möglicher Leckströme). Die Erfassungsanordnung, die die vertikale Hall-Vorrichtung und die weitere vertikale Hall-Vorrichtung aufweist, kann nun gemäß einem differentiellen Betrieb durch Erfassen neuer Erfassungsspannungen zwischen der vertikalen Hall-Vorrichtung und der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung betrieben werden. Eine erste Erfassungsspannung V_121' wird zwischen dem Kontakt C₂ der vertikalen Hall-Vorrichtung und dem Kontakt C₁' der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung gemessen. V_121' = I{R₁∥(R₂ + R₃) R₃ / R₂ + R₃ + R₅∥(R₆ + R₇) + S_iB_y} – – I'{R₃'∥(R₁' + R₂') R₁' / R₁' + R₂' + R₇'∥(R₅' + R₆') – S_i'B_y} = = I{ R₁R₃ / R₁ + R₂ + R₃ + R₅∥(R₆ + R₇) + S_iB_y} – – I'{ R₁'R₃' / R₁' + R₂' + R₃' + R₇'∥(R₅' + R₆') – S_i'B_y}
Eine zweite Erfassungsspannung V_143' wird zwischen Kontakt C₄ der vertikalen Hall-Vorrichtung und Kontakt C₃' der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung erfasst. V_143' = I{R₅∥(R₆ + R₇) R₆ / R₆ + R₇ – S_jB_y} – – I'{R₇'∥(R₅' + R₆') R₆' / R₅' + R₆' + S_j'B_y} = = I{ R₅R₆ / R₅ + R₆ + R₇ – S_jB_y} – – I'{ R₆'R₇' / R₅' + R₆' + R₇' – S_j'B_y}
21 zeigt die Erfassungsanordnung während einer zweiten Phase des Spinning-Current-Schemas. Kontakt C₃ der vertikalen Hall-Vorrichtung und Kontakt C₄' der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung sind noch immer an die Erde angeschlossen, wie in Phase 1 (20). Für die vertikale Hall-Vorrichtung wird der elektrische Strom I nun über Kontakt C₂ zugeleitet. Für die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' wird der elektrische Strom I' nun über C₁' zugeleitet. Eine erste Erfassungsspannung (hohe Gleichtakt-Erfassungsspannung) V_212' wird zwischen Kontakt C₁ der vertikalen Hall-Vorrichtung und Kontakt C₂' der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung erfasst. V_212' = I{R₃∥(R₁ + R₂) R₁ / R₁ + R₂ + R₅∥(R₆ + R₇) + S_iB_y} – – I'{R₁'∥(R₂' + R₃') R₃' / R₂' + R₃' + R₇'∥(R₅' + R₆') – S_i'B_y} = = I{ R₁R₃ / R₁ + R₂ + R₃ + R₅∥(R₆ + R₇) + S_iB_y} – – I'{ R₁'R₃' / R₁' + R₂' + R₃' + R₇'∥(R₅' + R₆') – S_i'B_y}
Eine zweite Erfassungsspannung V_243' (niedere Gleichtakt-Erfassungsspannung) wird zwischen Kontakten C₄ und C₃' erfasst, die mit der zweiten Erfassungsspannung (niedere Gleichtakt-Erfassungsspannung) V_143' von Phase 1 (siehe oben stehende Gleichung) identisch ist.
22 zeigt schematisch die Erfassungsanordnung in Schaltungsdiagrammform während einer dritten Phase des Spinning-Current-Schemas. Der elektrische Strom I wird der vertikalen Hall-Vorrichtung über Kontakt C₁ zugeleitet und verlässt die vertikale Hall-Vorrichtung bei Kontakt C₄, der an die Erde angeschlossen ist. Der elektrische Strom I' wird der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung über Kontakt C₂' zugeleitet und verlässt die weitere vertikale Hall-Vorrichtung über Kontakt C₃', der an die Erde angeschlossen ist. Eine erste Erfassungsspannung V_321' (hoher Gleichtakt) wird zwischen Kontakten C₂ und C₁' erfasst. V_321' = I{R₁∥(R₂ + R₃) R₃ / R₂ + R₃ + R₇∥(R₅ + R₆) + S_iB_y} – – I'{R₃'∥(R₁' + R₂') R₁' / R₁' + R₂' + R₅'∥(R₆' + R₇') – S_i'B_y} = = I{ R₁R₃ / R₃ + R₂ + R₃ + R₇∥(R₅ + R₆) + S_iB_y} – – I'{ R₁'R₃' / R₁' + R₂' + R₃' + R₅'∥(R₆' + R₇') – S_i'B_y}
Eine zweite Erfassungsspannung V_334' (niederer Gleichtakt) wird zwischen Kontakten C₃ und C₄' erfasst. V_334' = I{R₇∥(R₅ + R₆) R₆ / R₅ + R₆ + S_jB_y} – – I'{R₅'∥(R₆' + R₇') R₆' / R₆' + R₇' – S_j'B_y} = = I{ R₆R₇ / R₅ + R₆ + R₇ + S_jB_y} – – I'{ R₅'R₆' / R₅' + R₆' + R₇' – S_j'B_y}
23 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm der Erfassungsanordnung während einer vierten Phase des Spinning-Current-Schemas. Für die vertikale Hall-Vorrichtung dienen die Kontakte C₂ und C₄ als Versorgungskontakte und die Kontakte C₁ und C₃ dienen als Erfassungskontakte. Für die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' dienen die Kontakte C₁' und C₃' als Versorgungskontakte und die Kontakte C₂' und C₄' dienen als Erfassungskontakte. Eine erste Erfassungsspannung V_412' (hoher Gleichtakt) wird zwischen Kontakten C₁ und C₂' erfasst. V_412' = I{R₃∥(R₁ + R₂) R₁ / R₁ + R₂ + R₇∥(R₅ + R₆) – S_iB_y} – – I'{R₁'∥(R₂' + R₃') R₃' / R₂' + R₃' + R₅'∥(R₆' + R₇') + S_i'B_y} = = I{ R₁R₃ / R₁ + R₂ + R₃ + R₇∥(R₅ + R₆) – S_iB} – – I'{ R₁'R₃' / R₁' + R₂' + R₃' + R₅'∥(R₆' + R₇') – S_j'B}
Eine zweite Erfassungsspannung V_434' (niederer Gleichtakt) wird zwischen Kontakten C₃ und C₄' erfasst. V_434' = V_334' = I{R₇∥(R₅ + R₆) R₆ / R₅ + R₆ + S_jB_y} – – I'{R₅'∥(R₆' + R₇') R₆' / R₆' + R₇' – S_j'B_y} = = I{ R₆R₇ / R₅ + R₆ + R₇ + S_jB_y} – – I'{ R₅'R₆' / R₅' + R₆' + R₇' – S_j'B_y}
Die Erfassungssignale, die während der vier Taktphasen 1 bis 4, die oben beschrieben wurden, erhalten werden, können miteinander kombiniert werden. Wenn zum Beispiel die Erfassungsspannung V_212', die in Taktphase 2 erhalten wurde, von der Erfassungsspannung V_121', die in Taktphase 1 erhalten wurde, subtrahiert wird, ist erkennbar, dass die widerstandsabhängigen Terme im Wesentlichen einander auslöschen, so dass die Differenz im Wesentlichen gleich V_121' – V_212' = +2·I·S_i·B + 2·I'·S_i'·B ist. Auf gleiche Weise löschen die widerstandsabhängigen Terme einander in der Differenz der zwei Erfassungsspannungen V_321' und V_412' die während Taktphasen 3 bzw. 4 erhalten wurden: V_321' – V_412' = +2·I·S_i·B + 2·I'·S_i'·B
Andererseits löschen einander die widerstandsabhängigen Terme nicht vollständig in einer Differenz der Erfassungsspannungen V_334' und V_143': V_334' – V_143' = I{ R₆R₇ / R₅ + R₆ + R₇ – R₅R₆ / R₅ + R₆ + R₇ + 2·S_j·B} – – I'{ R₅'R₆' / R₅' + R₆' + R₇' – R₆'R₇' / R₅' + R₆' + R₇' – 2·S_j'·B}
Die Differenz der Erfassungsspannungen V_434' und V_243' ist im Wesentlichen jedoch mit der Differenz der Erfassungsspannungen V_334' und V_143' identisch: V_434' – V_243' = V_334' – V_143'.
Der Versuch, dies durch Bestimmen eines Differenzsignal entlang der Zeile V_434' – V_243' – V_334' + V_143' zu nutzen, führt jedoch auch zu einem wechselseitigen Löschen der magnetfeldabhängigen Terme.
In 24 bis 31, die nun beschrieben werden, sind acht weitere Taktphasen grafisch dargestellt, die zum Vorsehen von Erfassungssignalen verwendet werden können, die widerstandsabhängige Terme enthalten, die zum Löschen widerstandsabhängiger Terme in anderen Taktphasen verwendet werden können, während die magnetfeldabhängigen Terme bewahrt oder sogar konstruktiv überlagert werden.
24 zeigt einen schematischen Querschnitt und ein schematisches Schaltungsdiagramm der Erfassungsanordnung während einer Phase A des Spinning-Current-Schemas. Für die erste vertikale Hall-Vorrichtung 100 dienen die Kontakte C₃ und C₁ als Versorgungskontakte und die Kontakte C₂ und C₄ dienen als Erfassungskontakte. Mit anderen Worten, ein elektrischer Strom I wird der vertikalen Hall-Vorrichtung 100 über Kontakt C₃ zugeleitet. Ein elektrischer Strom I' wird der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung 100' über Kontakt C₄' zugeleitet. Eine Erfassungsspannung V_A21' wird zwischen Kontakten C₂ und C₁' gemessen. Eine weitere Erfassungsspannung V_A43' wird zwischen Kontakten C₄ und C₃' gemessen. Der schematische Querschnitt in 24 zeigt die vertikale Hall-Vorrichtung 100 während Phase A des Spinning-Current-Schemas. Die ungefähren Stromflussrichtungen im ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 und zweiten Hall-Effekt-Gebiet 120 sind schematisch durch Pfeile dargestellt. Der Erfassungskontakt C4 liegt an der linken Seite der Stromlinien, so dass das elektrische Potential bei Kontakt C4 mit zunehmendem Magnetfeld steigt, wie durch den Ausdruck ”+B” angegeben. Der Kontakt C2 befindet sich an der rechten Seite der Stromlinien (bei Bewegung mit den Stromlinien), so dass das elektrische Potential bei Kontakt C2 mit steigendem Magnetfeld fällt, wie durch ”–B” angegeben ist. Für die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' dienen die Kontakte C₄' und C₂' als Versorgungskontakte und die Kontakte C₁' und C₃' dienen als Erfassungskontakte. V_A21' = I{R₁∥(R₂ + R₃) R₂ / R₂ + R₃ – S_iB_y} – – I'{R₃'∥(R₁' + R₂') R₂' / R₁' + R₂' + S_i'B_y} V_A43' = I{R₅∥(R₆ + R₇) R₇ / R₆ + R₇ + R₁∥(R₂ + R₃) + S_jB_y} – – I'{R₇'∥(R₅' + R₆') R₅' / R₅' + R₆' + R₃'∥(R₁' + R₂') – S_j'B_y}
25 zeigt einen schematischen Querschnitt und ein schematisches Schaltungsdiagramm der Erfassungsanordnung während einer Phase B des Spinning-Current-Schemas. Für die erste vertikale Hall-Vorrichtung 100 dienen die Kontakte C₄ und C₂ als Versorgungskontakte und die Kontakte C₁ und C₃ dienen als Erfassungskontakte. Für die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' dienen die Kontakte C₃' und C₁' als Versorgungskontakte und die Kontakte C₂' und C₄' dienen als Erfassungskontakte. Eine erste Erfassungsspannung V_B12' (niederer Gleichtakt) wird zwischen Kontakten C₁ und C₂' erfasst. V_B12' = I{R₃∥(R₁ + R₂) R₂ / R₁ + R₂ + S_iB_y} – – I'{R₁'∥(R₂' + R₃') R₂' / R₂' + R₃' – S_i'B_y}
Eine zweite Erfassungsspannung V_B34' (hoher Gleichtakt) wird zwischen Kontakten C₃ und C₄' erfasst. V_B43' = I{R₇∥(R₅ + R₆) R₅ / R₅ + R₆ + R₃∥(R₁ + R₂) – S_jB_y} – – I'{R₅'∥(R₆' + R₇') R₇' / R₆' + R₇' + R₁'∥(R₂' + R₃') – S_j'B_y}
26 zeigt einen schematischen Querschnitt und ein schematisches Schaltungsdiagramm der Erfassungsanordnung während einer Phase C des Spinning-Current-Schemas. Für die erste vertikale Hall-Vorrichtung 100 dienen die Kontakte C₄ und C₁ als Versorgungskontakte und die Kontakte C₂ und C₃ dienen als Erfassungskontakte. Für die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' dienen die Kontakte C₃' und C₂' als Versorgungskontakte und die Kontakte C₁' und C₄' dienen als Erfassungskontakte. Eine Erfassungsspannung V_C34' wird zwischen Kontakten C₃ und C₄' erfasst. V_C34' = I{R₇∥(R₅ + R₆) R₅ / R₅ + R₆ + R₁∥(R₂ + R₃) – S_jB_y} – – I'{R₅'(R₆' + R₇') R₇' / R₆' + R₇' + R₃'∥(R₁' + R₂') + S_j'B_y}
Eine andere Erfassungsspannung V_C21' in Taktphase C entspricht der Erfassungsspannung V_A21', die während Taktphase A erhalten wird.
27 zeigt einen schematischen Querschnitt und ein schematisches Schaltungsdiagramm der Erfassungsanordnung während einer Phase D des Spinning-Current-Schemas. Für die erste vertikale Hall-Vorrichtung 100 dienen die Kontakte C₃ und C₂ als Versorgungskontakte und die Kontakte C₁ und C₄ dienen als Erfassungskontakte. Für die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' dienen die Kontakte C₄' und C₁' als Versorgungskontakte und die Kontakte C₂' und C₃' dienen als Erfassungskontakte. Eine erste Erfassungsspannung V_D12' wird zwischen Kontakten C₁ und C₂' erfasst und entspricht Erfassungsspannung V_B12': V_D12' = I{R₃∥(R₁ + R₂) R₂ / R₁ + R₂ + S_iB_y} – – I'{R₁'∥(R₂' + R₃') R₂' / R₂' + R₃' – S_i'B_y}
Eine zweite Erfassungsspannung V_D43' wird zwischen Kontakten C₄ und C₃' erfasst: V_D43' = I{R₅∥(R₆ + R₇) R₇ / R₆ + R₇ + R₃∥(R₁ + R₂) + S_jB_y} – – I'{R₇'∥(R₅' + R₆') R₅' / R₅' + R₆' + R₁'∥(R₂' + R₃') – S_j'B_y}
28 zeigt einen schematischen Querschnitt und ein schematisches Schaltungsdiagramm der Erfassungsanordnung während einer Phase G des Spinning-Current-Schemas. Für die erste vertikale Hall-Vorrichtung 100 dienen die Kontakte C₂ und C₁ als Versorgungskontakte und die Kontakte C₃ und C₄ dienen als Erfassungskontakte. Für die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' dienen die Kontakte C₁' und C₂' als Versorgungskontakte und die Kontakte C₃' und C₄' dienen als Erfassungskontakte. Eine erste Erfassungsspannung V_G34' wird zwischen Kontakten C₃ und C₄' erfasst: V_G43' = I{R₂∥(R₁ + R₃) R₁ / R₁ + R₃ + S_ijB_y} – – I'{R₂'∥(R₁' + R₃') R₃' / R₁' + R₃' – S_ij'B_y}
Eine zweite Erfassungsspannung V_G43' wird zwischen Kontakten C₄ und C₃' erfasst. Es zeigt sich, dass beide Erfassungsspannungen V_G34' und V_G43' gleich sind, d. h. V_G34' = V_G43'. Die Erklärung ist, dass die zweiten Hall-Effekt-Gebiete 120 und 120' im Wesentlichen inaktiv sind (d. h. kein Strom fließt über R5, R7, R5', R7'). Es ist zu beachten, dass Kontakte auch verschlüsselt sein können, so dass die Spannungen VG33' und VG44' gemessen werden. Diese sind mit V_G34' = V_G43' identisch.
29 zeigt einen schematischen Querschnitt und ein schematisches Schaltungsdiagramm der Erfassungsanordnung während einer Phase H des Spinning-Current-Schemas. Für die erste vertikale Hall-Vorrichtung 100 dienen die Kontakte C₄ und C₃ als Versorgungskontakte und die Kontakte C₁ und C₂ dienen als Erfassungskontakte. Für die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' dienen die Kontakte C₃' und C₄' als Versorgungskontakte und die Kontakte C₁' und C₂' dienen als Erfassungskontakte. Eine erste Erfassungsspannung V_H12' wird zwischen Kontakten C₁ und C_2' erfasst und eine im Wesentlichen gleiche zweite Erfassungsspannung V_H21' wird zwischen Kontakten C₂ und C₁' erfasst: V_H12' = V_H21' = I{R₆∥(R₅ + R₇) R₅ / R₅ + R₇ + S_ijB_y} – – I'{R₆'∥(R₅' + R₇') R₇' / R₅' + R₇' – S_ij'B_y}
30 zeigt einen schematischen Querschnitt und ein schematisches Schaltungsdiagramm der Erfassungsanordnung während einer Phase I des Spinning-Current-Schemas. Für die erste vertikale Hall-Vorrichtung 100 dienen die Kontakte C₁ und C₂ als Versorgungskontakte und die Kontakte C₃ und C₄ dienen als Erfassungskontakte. Für die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' dienen die Kontakte C₁' und C₂' als Versorgungskontakte und die Kontakte C₃' und C₄' dienen als Erfassungskontakte. Eine erste Erfassungsspannung V_I34' wird zwischen Kontakten C₃ und C_4' erfasst und eine im Wesentlichen gleiche zweite Erfassungsspannung V_I43' wird zwischen Kontakten C₄ und C_3' erfasst: V_I34' = V_I43' = I{R₂∥(R₁ + R₃) R₃ / R₁ + R₃ – S_ijB_y} – – I'{R₂'∥(R₁' + R₃') R₁' / R₁' + R₃' + S_ij'B_y}
31 zeigt einen schematischen Querschnitt und ein schematisches Schaltungsdiagramm der Erfassungsanordnung während einer Phase J des Spinning-Current-Schemas. Für die erste vertikale Hall-Vorrichtung 100 dienen die Kontakte C₃ und C₄ als Versorgungskontakte und die Kontakte C₁ und C₂ dienen als Erfassungskontakte. Für die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' dienen die Kontakte C₄' und C₃' als Versorgungskontakte und die Kontakte C₁' und C₂' dienen als Erfassungskontakte. Eine erste Erfassungsspannung V_J12' wird zwischen Kontakten C₁ und C_2' erfasst und eine im Wesentlichen gleiche zweite Erfassungsspannung V_J21' wird zwischen Kontakten C₂ und C_1' erfasst: V_J12' = V_J21' = I{R₆∥(R₅ + R₇) R₇ / R₅ + R₇ – S_ijB_y} – – I'{R₆'∥(R₅' + R₇') R₅' / R₅' + R₇' + S_ij'B_y}
32 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm der Erfassungsanordnung während einer Taktphase 9 des Spinning-Current-Schemas. Die Taktphase 9 und auch Taktphase F, die in 33 dargestellt ist, unterscheiden sich von den meisten der anderen Taktphasen darin, dass alle vier Kontakte zum Zuleiten oder Ableiten von elektrischem Strom zu/von den Hall-Effekt-Gebieten 110, 120, 110' und 120' verwendet werden.
Während Taktphase 9 wird ein elektrischer Strom I zu Kontakt C₁ geleitet und ein gleicher weiterer elektrischer Strom I wird zu Kontakt C₄ der ersten vertikalen Hall-Vorrichtung 100 geleitet. Ein elektrischer Strom I wird bei Kontakt C₂ abgeleitet. Kontakt C₃ ist an das Referenzpotential angeschlossen und da der restliche Strom der ersten vertikalen Hall-Vorrichtung 100 null sein muss, verlässt ein weiterer elektrischer Strom I notwendigerweise das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 über Kontakt C₃. Ein elektrischer Strom I' wird auch zu jedem der Kontakte C_2' und C_3' der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung 100' geleitet. Ein elektrischer Strom I' verlässt die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' bei Kontakt C_1'. Auch hier muss ein elektrischer Strom I' die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' bei Kontakt C_4' verlassen, der an das Referenzpotential angeschlossen ist.
Während Taktphase 9 können drei Erfassungsspannungen erhalten werden: V_912', V_921' und V_922': V_912' = I{R₆∥(R₅ + R₇) R₅ / R₅ + R₇ + R₂∥(R₁ + R₃) R₁ / R₁ + R₃ – S_ijB_y} – – I'{R₆'∥(R₅' + R₇') R₇' / R₅' + R₇' + R₂'∥(R₁'+ R₃') R₃' / R₁' + R₃' + S_ij'By} V_921' = I{R₆∥(R₅ + R₇) R₅ / R₅ + R₇ – R₂∥(R₁ + R₃) R₃ / R₁ + R₃ – S_ijB_y} – – I'{R₆'∥(R₅' + R₇') R₇' / R₅' + R₇' – R₂'∥(R₁' + R₃') R₁' / R₁' + R₃' + S_ij'By} V_922' = I{R₆∥(R₅ + R₇) R₅ / R₅ + R₇ – R₂∥(R₁ + R₃) R₃ / R₁ + R₃ – S_ijB_y} – – I'{R₆'∥(R₅' + R₇') R₇' / R₅' + R₇' + R₂'∥(R₁' + R₃') R₃' / R₁' + R₃' – S_ij'B_y}
Während Taktphase F wird ein elektrischer Strom I zu Kontakt C₂ geleitet und ein gleicher weiterer elektrischer Strom I wird zu Kontakten C₃ der ersten vertikalen Hall-Vorrichtung 100 geleitet. Ein elektrischer Strom I wird bei Kontakt C₁ abgeleitet. Kontakt C₄ ist an das Referenzpotential angeschlossen und da der restliche Strom der ersten vertikalen Hall-Vorrichtung 100 null sein muss (unter Nichtbeachtung von Leckströmen), verlässt ein weiterer elektrischer Strom I notwendigerweise das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 über Kontakt C₄. Ein elektrischer Strom I' wird zu jedem der Kontakte C_1' und C_4' der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung 100' geleitet. Ein elektrischer Strom I' verlässt die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' bei Kontakt C_2'. Auch hier muss ein elektrischer Strom I' die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' bei Kontakt C_3' verlassen, der an das Referenzpotential angeschlossen ist.
Eine Erfassungsspannung V_F21' kann während Taktphase F erhalten werden: V_F21' = I{R₆∥(R₅ + R₇) R₇ / R₅ + R₇ + R₂∥(R₁ + R₃) R₃ / R₁ + R₃ + S_iB_y} – – I'{R₆'∥(R₅' + R₇') R₅' / R₅' + R₇' + R₂'∥(R₁' + R₃') R₁' / R₁' + R₃' – S_i'B_y}
Der Vollständigkeit wegen sind fünf weitere mögliche Taktphasen 5 bis 8 und E in 34 bis 38 in schematischer Schaltungsdiagrammform dargestellt. In 34 bis 37 sind nur die zweiten Hall-Effekt-Gebiete 120 und 120' in schematischer Schaltungsdiagrammform dargestellt. Offensichtlich könnten die ersten Hall-Effekt-Gebiete anstelle der zweiten verwendet werden, wodurch 4 zusätzliche Taktphasen erhalten werden. In jenen Hall-Effekt-Gebieten, die nicht dargestellt sind, kann einer oder können beide Kontakte verwendet werden, um die Vorrichtung mit elektrischem Strom zu versorgen.
Die Taktphase 5 ist schematisch in 34 dargestellt Das Erfassungssignal V_544' von Interesse wird zwischen den zweiten Hall-Effekt-Gebiete 120 und 120' der vertikalen Hall-Vorrichtungen 100, 100' erhalten. Ein elektrischer Strom I tritt in das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 über den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 ein. Für die weitere vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung 100' tritt ein elektrischer Strom I' in das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120' über den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16' ein. Die Erfassungsspannung V_544' ist gegeben durch V_544' = I{R₅∥(R₆ + R₇) R₆ / R₆ + R₇} – I'{R₅'∥(R₆' + R₇') R₆' / R₆' + R₇'} = = I R₅R₆ / R₅ + R₆ + R₇ – I' R₅'R₆' / R₅' + R₆' + R₇'
Die Taktphase 6 ist schematisch in 35 dargestellt. Das Erfassungssignal V_633' von Interesse wird zwischen den zweiten Hall-Effekt-Gebieten 120 und 120' der vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtungen 100, 100' erhalten. Wie bei Taktphase 5 tritt ein elektrischer Strom I in das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 über den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 ein. Für die weitere vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung 100', tritt ein elektrischer Strom I' in das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120' über den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16' ein. Die Erfassungsspannung V_633' ist gegeben durch V_633' = I{R₇∥(R₅ + R₆) R₆ / R₅ + R₆} – I'{R₇'∥(R₅' + R₆') R₆' / R₅' + R₆'} = = I R₆R₇ / R₅ + R₆ + R₇ – I' R₆'R₇' / R₅' + R₆' + R₇'
Die Erfassungsspannungen V_143', V_544', V_633' und V_334' aus Phase 1, Phase 5, Phase 6 bzw. Phase 3 des Spinning-Current-Schemas können in jeder additiven und subtraktiven Weise kombiniert werden, so dass entsprechende Widerstandsterme im Wesentlichen ausgelöscht werden. Insbesondere wird vorgeschlagen, die folgende Kombination auszuführen: V_143' – V_544' – V_633' + V_334'. Mit der oben eingeführten Kurzschriftnotation können die widerstandsbezogenen Terme, die für den Versatzfehler verantwortlich sind, geschrieben werden als: +56 – 6'7' – 56 + 5'6' – 67 + 6'7' + 67 – 5'6'.
Ferner ist zu beachten, dass die Erfassungsspannungen V_544' und V_633' in Phasen 5 und 6 keine Empfindlichkeit für das B-Feld haben. Die Erfassungsspannung V_143' hat eine positive Abhängigkeit vom B-Feld und die Erfassungsspannung V_334' hat eine negative Abhängigkeit vom B-Feld.
Die Taktphase 7 ist schematisch in 36 dargestellt. Das Erfassungssignal V_744' von Interesse wird zwischen den zweiten Hall-Effekt-Gebieten 120 und 120' der vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtungen 100, 100' erhalten. Ein elektrischer Strom I verlässt das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 über den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16. Für die weitere vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung 100' verlässt ein elektrischer Strom I' das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120' über den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16'. Die Erfassungsspannung V_744' ist gegeben durch V_744' = I{R₅∥(R₆ + R₇) R₇ / R₆ + R₇} – I'{R₅'∥(R₆' + R₇') R₇' / R₆' + R₇'} = = I R₅R₇ / R₅ + R₆ + R₇ – I' R₅'R₇' / R₅' + R₆' + R₇'
Die Taktphase 8 ist schematisch in 37 dargestellt. Das Erfassungssignal V_833' von Interesse wird zwischen den zweiten Hall-Effekt-Gebieten 120 und 120 der vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtungen 100, 100' erhalten. Wie in Taktphase 7 verlässt ein elektrischer Strom I das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 über den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16. Für die weitere vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung 100' verlässt ein elektrischer Strom I' das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120' über den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16. Die Erfassungsspannung V_833' ist gegeben durch V_833' = I{R₇∥(R₅ + R₆) R₅ / R₅ + R₆} – I'{R₇'∥(R₅' + R₆') R₅' / R₅' + R₆'} = = I R₅R₇ / R₅ + R₆ + R₇ – I' R₅'R₇' / R₅' + R₆' + R₇'
Die Taktphase E ist schematisch in 38 dargestellt. In Bezug auf die erste vertikale Hall-Vorrichtung 100 wird ein elektrischer Strom I bei Kontakten C₂ bzw. C₃ eingespeist. Ein elektrischer Strom I wird bei Kontakt C₄ entnommen. Kontakt C₁ ist an das Referenzpotential angeschlossen und aufgrund des Kirchhoffschen Gesetzes muss auch ein elektrischer Strom I das erste Hall-Effekt-Gebiet 110 über Kontakt C₁ verlassen. Bezüglich der zweiten vertikalen Hall-Vorrichtung 100' wird ein elektrischer Strom I' bei Kontakten C₁' bzw. C₄' eingespeist. Ein elektrischer Strom derselben Größe I' wird bei Kontakt C₃' entnommen. Kontakt C₂' ist an das Referenzpotential angeschlossen und ein elektrischer Strom I' verlässt das erste Hall-Effekt-Gebiet 110' der zweiten vertikale Hall-Vorrichtung 100' über diesen Kontakt C₂'. Die Erfassungsspannung V_833' ist gegeben durch V_E34' = I{R₂∥(R₁ + R₃) R₁ / R₁ + R₃ + R₆∥(R₅ + R₇) R₅ / R₅ + R₇ – S_iB_y} – – I'{R₂'∥(R₁' + R₃') R₃' / R₁' + R₃' + R₆'∥(R₅' + R₇') R₇' / R₇' + R₇' + S_i'B_y}
39 zeigt einen schematischen Querschnitt eines ersten Hall-Effekt-Gebiets 110, zu dem ein elektrischer Strom von 200 μA über Kontakt 211 geleitet wird. Für ein spezifisches erstes Hall-Effekt-Gebiet 110 führt dieser Strom von 200 μA zu einer Spannung zwischen dem Kontakt 211 und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 von 0,755235 V. Eine Spannung, die am anderen Kontakt 212 erfasst werden kann, ist eine Funktion der Magnetfeldkomponente senkrecht zur Zeichnungsebene von 39. Eine numerische Simulation zeigt auf, dass bei einem Magnetfeld von 0 T die Spannung von Kontakt 212 gegen Erde, d. h. den hoch leitenden Knoten 16, 0,34531 V ist. Für ein Magnetfeld von –1 T ist die Spannung zwischen Kontakt 212 und vergrabenem, hoch leitenden Knoten 16 0,315871 V. In verallgemeinerter Form kann die Spannung zwischen Kontakt 212 und hoch leitendem Gegenflächenknoten 16 angegeben werden als V₂ ∝ –B + I·R₁∥(R₂ + R₃) R₃ / R₂ + R₃ = = –B + I R₁R₃ / R₁ + R₂ + R₃.
40 ist ähnlich 39, mit der Ausnahme, dass der elektrische Strom von 200 μA dem ersten Hall-Effekt-Gebiet 110 über Kontakt 212 zugeleitet wird und eine Erfassungsspannung zwischen Kontakt 211 und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 bestimmt wird. Wie aus symmetrischen Gründen zu erwarte ist, sind die Werte für die verschiedenen Spannungen in 39 und 40 dieselben. Die Erfassungsspannung zwischen Kontakt 212 und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 gemäß 39 hat jedoch eine negative Abhängigkeit vom Magnetfeld B, während die Erfassungsspannung zwischen Kontakt 211 und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 gemäß 40 eine positive Abhängigkeit von Magnetfeld B hat.
Die oben stehenden Erklärungen bezüglich 39 bis 40 sind für ein Verständnis der Phasen 5 bis 9 und A bis F des oben in Verbindung mit 34 bis 37 (Phasen 5 bis 8), 32 (Phase 9), 24 bis 28 (Phasen A bis D), 38 (Phase E) und 33 (Phase F) beschriebenen Spinning-Current-Schemas hilfreich.
In den folgenden Figuren sind die Ergebnisse verschiedener numerischen Simulationen präsentiert, insbesondere einer Verteilung des elektrischen Potentials innerhalb des (der) Hall-Effekt-Gebiet(e)s und der Stromlinien innerhalb des (der) Hall-Effekt-Gebiet(e)s.
Im Sinne eine Modellkonzepts kann angenommen werden, dass die hoch leitende Gegenflächenschicht 16, 16' (z. B. eine n-dotierte vergrabene Schicht, nBL) wie ein Spiegel wirkt. Man kann sich vorstellen, dass anstelle des hoch leitenden Gegenflächenknotens 16, 16' die vertikale Hall-Vorrichtung nach unten gespiegelt wird. In einer Ausführung zum Beispiel, in der die Hall-Effekt-Gebiete 6 μm tief sind, wären sie gemäß dem abgebildeten Modellkonzept 12 μm tief. Zusätzlich wäre der untere Kontakt bei einem elektrischen Potential von –1 V. Auf diese Weise wird auch klar, warum das Gleichtaktpotential der Erfassungskontakte annähernd 0 V ist.
Bei der Untersuchung der magnetischen Empfindlichkeit S_u als Funktion eines Abstands zwischen dem Versorgungskontakt und dem Erfassungskontakt stellt sich heraus, dass für eine bestimmte Ausgestaltung der vertikalen Hall-Vorrichtung die mit der Versorgungspannung zusammenhängende magnetische Empfindlichkeit S_u für einen Abstand von 2 μm bei einer Tiefe des Hall-Gebiets von 6 μm maximal ist. Daher wurde für die Kontakte eine Länge von 0,7 μm in die Richtung senkrecht zum Magnetfeld angenommen.
41 zeigt einen Querschnitt eines Hall-Effekt-Gebiets, in dem das elektrische Potential und die Stromlinien, die aus der numerischen Simulation erhalten werden, gezeigt sind. Das erste Paar von Kontakten 211 und 212 ist an der Oberfläche 11 des Hall-Effekt-Gebiets 110 angeordnet, das in 41 repräsentativ dargestellt ist. Als vereinfachende Annahme wurden die n + S/D-Diffusionen der Kontakte als unendlich dünn und unendlich leitend angenommen. 41 und die folgenden Figuren, wie auch die entsprechenden Beschreibungen können auch bei anderen Hall-Effekt-Gebieten innerhalb der vertikalen Hall-Vorrichtung oder der Erfassungsanordnung verwendet werden. Kontakt 211 dient als Versorgungskontakt und ist in dem in 41 dargestellten Beispiel bei einem elektrischen Potential von 1 V. Der hoch leitende Gegenflächenknoten 16 ist bei einem elektrischen Potential von 0 V, d. h. Massepotential. Der Kontakt 212 dient als Erfassungskontakt und ist im Wesentlichen schwebend. Da der Kontakt 212 eine höhere Leitfähigkeit als das Hall-Effekt-Gebiet 110 hat, geht eine Reihe von Stromlinien seitlich durch den Kontakt 212. Die Einheiten der geometrischen Skala an der Unterseite von 41 sind 10 μm. Wie oben erwähnt ist das Hall-Effekt-Gebiet 110 6 μm tief (Abstand zwischen Oberfläche 11 und hoch leitendem Gegenflächenknoten 16). Die Breite des Hall-Effekt-Gebiets 110 in die Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene ist 5 μm. Die Länge des Hall-Effekt-Gebiets 110 zwischen linker und rechter Grenze ist 6,3 μm. Die Kontakte 211 und 212 sind symmetrisch in Bezug auf das Hall-Effekt-Gebiet 110 angeordnet. Mit der in 41 dargestellten Struktur kann eine relativ hohe, mit der Versorgungsspannung in Zusammenhang stehende magnetische Empfindlichkeit von S_u = 31 mV/V/T (für einen einzigen Erfassungskontakt) erhalten werden. Der Erfassungskontakt 212 hat ein Gleichtaktpotential von 41% (siehe 42) der Versorgungsspannung (unter Annahme eines linearen Leitfähigkeitsmodells). Es ist zu beachten, dass einige der Stromlinien auf den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 nicht senkrecht, sondern in einem Winkel treffen, der auf den Hall-Effekt zurückzuführen ist.
42 zeigt eine Grafik des elektrischen Potentials an der oberen Oberfläche des Hall-Effekt-Gebiets 110 in der Ausgestaltung von 41. Das elektrische Potential an der oberen Oberfläche ist für drei verschiedene Stärken des Magnetfeldes B dargestellt: –1 T, 0 T und 1 T. Es ist ersichtlich, dass das elektrische Potential am Erfassungskontakt 212 mit dem variierenden Magnetfeld variiert.
43 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Hall-Effekt-Gebiet 110 ähnlich der Ausgestaltung von 41, das aber zusätzlich n-Wannen aufweist. Unter den Kontakten 211 und 221 sind die n-Wannen 2 μm tief, überall sonst nur 0,7 μm tief. Die Kontakte 211 und 221 können als n + S/D Kontakte (n⁺-dotierte Source/Drain Kontakte) ausgeführt sein. Die n-Wannen können als mitteldotierte Wannen betrachtet werden, die die Kontakte 211 bzw. 221 umgeben. Daher weist ein erstes Hall-Effekt-Gebiet 110 mindestens eine mitteldotierte Wanne auf, die einen Kontakt des ersten Paares von Kontakten umgibt oder überlappt. Analog kann das zweite Hall-Effekt-Gebiet 120 mindestens eine mitteldotierte Wanne aufweisen, die einen Kontakt des zweiten Paares von Kontakten umgibt/überlappt. Die mitteldotierten Wannen haben einen Dotierungswert, der höher ist als ein Dotierungswert des Restes der ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiete 110, 120. In einigen Ausführungsformen kann die mitteldotierte Wanne einen großen Teil des entsprechenden Kontakts überlappen, d. h. die mitteldotierte Wanne umgibt den Kontakt nicht vollständig.
Gemäß einigen Ausführungsformen können sich die zwei mitteldotierten Wannen von der entsprechenden Oberfläche 11 des ersten Hall-Effekt-Gebiets 110 und des zweiten Hall-Effekt-Gebiets 120 zum hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 über mindestens 5% der Tiefe der ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiete erstrecken (möglich sind auch: 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50% der Tiefe wie auch Zwischenwerte). Die mitteldotierten Wannen sind in 43 durch die Bezugszeichen 227 für die mitteldotierte Wanne unterhalb Kontakt 211 und Bezugszeichen 217-2 für die mitteldotierte Wanne unterhalb des Kontakts 221 angegeben. Die mitteldotierte Wanne weist auch ein Teil 207 auf, das nicht so tief wie die Teile 217-2 und 227 ist. In dem dargestellten Beispiel ist dieses Teil 207 0,7 μm tief, d. h. ungefähr 12% der Tiefe des Hall-Gebiets 110. Es ist zu beachten, dass sich dieses Teil 207 der mitteldotierten Wanne über die gesamte Strecke zur seitlichen Grenze des Hall-Effekt-Gebiets 110 in vielen Halbleiter-Herstellungstechnologien erstrecken kann, während dies für die Kontakte 211 und 221, zumindest in einigen Herstellungstechnologien nicht der Fall ist, wo es für die Kontakte 211, 221 nicht möglich ist, eng an die seitliche Grenze heranzukommen, sondern ein gewisser Zwischenraum aufrechterhalten werden muss.
Für tatsächliche Ausführungen scheint es vernünftig, die kleinen n + S/D Gebiete so klein wie möglich zu halten (die z. B. nur ”punktförmig”, z. B. 0,8 μm mal 0,8 μm zur Kontaktierung gestaltet sind), so dass die tiefen Teile der n-Wanne verringert sind. 44 zeigt eine schematische Draufsicht des Hall-Effekt-Gebiets 110 gemäß einigen Ausführungsformen. Der Kontakt 211 weist drei punktförmige Kontaktteile auf. Auf gleiche Weise weist der Kontakt 221 drei punktförmige Kontaktteile auf. Die seichten n-Wannen 227 und 217-2 erstrecken sich über die gesamte Strecke zur Grenze des Hall-Effekt-Gebiets 110, die in der gezeigten Ausführungsform durch ein Ende oder eine Wand eines p-Grabens 105 vorgesehen ist. Der Pfeil 106 in 44 entspricht einem ”maximierten Abstand”. Insbesondere sollten die n + S/D Gebiete 211, 221 der zwei Kontaktpaare so weit wie möglich beabstandet sein, da dort die Dotierung tiefer in das Material geht als in den nCMOS-Wannen 227, 217-2, was dann bewirken würde, das unnötig viel Strom nicht über die nBL, sondern direkt zwischen den zwei Kontaktpaaren in seitlicher Richtung fließt.
45 zeigt eine Grafik des elektrischen Potentials an der Oberfläche 11 des Hall-Effekt-Gebiets 110 der Ausgestaltung in 43. Die strombezogene magnetische Empfindlichkeit S_u = 27,1 mV/V/T (unsymmetrisch) ist etwas kleiner als jene der in 41 dargestellten Ausgestaltung. Der elektrische Strom, der durch das Hall-Effekt-Gebiet 110 fließt, hat in der Ausgestaltung von 43 im Vergleich zu der Ausgestaltung von 41 stark zugenommen: von 197 μA auf 346 μA. Diese Erhöhung des elektrischen Stroms ist auf die tiefen n-Wannen 227 und 217-2 zurückzuführen. Das Gleichtaktpotential ist bei ungefähr 60% der Versorgungsspannung relativ hoch.
46 zeigt einen schematischen Querschnitt des Hall-Effekt-Gebiets, einschließlich des simulierten elektrischen Potentials und der Stromlinien einer vertikalen Hall Vorrichtung, die sich von der vertikalen Hall-Vorrichtung, die in 43 dargestellt ist, darin unterscheidet, dass die n-Wannen 227 und 217-2 nur 0,7 μm tief sind. Die mit der Versorgungsspannung in Zusammenhang stehende Empfindlichkeit könnte im Vergleich zur Ausgestaltung, die in 43 dargestellt ist, weiter um 4,2% erhöht werden, d. h. S_u = 34,5 mV/V/T (unsymmetrisch). Das Gleichtaktpotential hat auf 36% der Versorgungsspannung abgenommen. Der Stromverbrauch ist für die in 46 dargestellte Ausgestaltung im Vergleich zu der in 43 dargestellten Ausgestaltung signifikant geringer: 293 μA im Fall von 46 anstelle von 369 μA für die in 43 dargestellte Ausgestaltung.
47 zeigt einen Querschnitt eines Hall-Effekt-Gebiets einer vertikalen Hall-Vorrichtung, die in einem sogenannten Ui-Zwangsmodus betrieben wird. Ui-Zwangsmodus bedeutet, dass alle Potentiale fest geklemmt sind und dass die elektrischen Ströme in den Erfassungsanschlüssen als Ausgangssignale dienen. In 47 ist die nBL auf 1 V geklemmt, C₁ und C₂ sind auf 0 V geklemmt. 47 zeigt die Ergebnisse der numerischen Simulation in der Form des elektrischen Potentials innerhalb des Hall-Effekt-Gebiets und der Stromlinien. Ein Magnetfeld von –1 T senkrecht zur Zeichnungsebene wurde für die numerische Simulation angenommen, die den Strom nach links in 47 schiebt. Es ist zu beachten, dass die Stromlinien den hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 in einem Winkel verlassen.
48 zeigt grafisch die elektrischen Ströme IC1 und IC2, die durch die Kontakte C₁ bzw. C₂ über das Magnetfeld in y-Richtung fließen, d. h. senkrecht zur Zeichnungsebene in 47. Es ist ersichtlich, dass der Differenzstrom eine lineare Funktion des Magnetfeldes ist. Ferner ist die Summe der zwei elektrischen Ströme IC1 und IC2 annähernd konstant: IC1 + IC2 = 280 μA. Die resultierende Empfindlichkeit ist S = 17,77 μA/T = 6,45% (von IC1 + IC2) pro Tesla. Eine nähere Überprüfung ergibt eine magnetische Nichtlinearität von 17,777/17,705, d. h. 100% +/– 0,37% bei +/–1 T.
Schlussfolgernd kann behauptet werden, dass eine maximale mit der Versorgungsspannung in Zusammenhang stehende magnetische Empfindlichkeit S_u im Falle von seichten n-Wannen (0,7 μm tief) für einen Abstand der Kontakte von 3,5 μm mit der simulierten Geometrie des Hall-Effekt-Gebiets erhalten werden kann. Die Kontakte haben eine Länge von ungefähr 2,1 μm und erstrecken sich über die gesamte Länge zu den seitlichen Grenzen des Hall-Effekt-Gebiets, d. h. zu den Grabenwänden, wenn das Hall-Effekt-Gebiet durch einen Graben begrenzt ist. In jenen Gebieten, wo die n-Wannen tief sind (z. B. 2 μm tief), sollte der Abstand der Kontakte etwas größer sein: ungefähr 4,2 μm für die simulierte Geometrie des Hall-Effekt-Gebiets.
Aufgrund der Notwendigkeit, Kontakte mit finiter Größe (anstelle von unendlich kleinen Kontakten) vorzusehen, geht Empfindlichkeit verloren. Reine n + S/D Kontakte verlieren signifikant mehr Empfindlichkeit als Kontakte mit einer zusätzlichen (mitteldotierten) n-Wanne. Es wird angenommen, dass der Grund ist, dass die n + S/D Kontakte einen größeren Abstand des p-dotierten Grabens benötigen, der die seitliche Grenze des Hall-Effekt-Gebiets definiert (der erforderliche Abstand ist ungefähr 1,4 μm gemäß Konstruktionsregeln für diese spezifische CMOS-Technologie), während sich die n-Wannengebiete bis zum Graben erstrecken können. Es ist zu beachten, dass diese Bedingung für den Abstand zwischen den n + S/D Kontakten und dem p-dotierten Graben von der verwendeten Halbleiter-Herstellungstechnologie abhängt und für verschiedene Halbleiter-Herstellungstechnologien kleiner sein kann oder überhaupt kein Zwischenraum zwischen den n + S/D Kontakten und dem Graben für einige spezifische Halbleiter-Herstellungstechnologien notwendig sein kann. Ferner nimmt der Stromverbrauch mit dem Vorhandensein einer n-Wanne ab, was auch zu einer erhöhten Empfindlichkeit beitragen kann. In jedem Fall liefert die n-Wanne ungefähr 23% mehr Empfindlichkeit als reine n + S/D Kontakte: Werte bis zu 70 mV/V/T (differentiell) scheinen im linearen Fall möglich zu sein (d. h. es wird keine Geschwindigkeitssättigung berücksichtigt).
49 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer vertikalen Hall-Vorrichtung gemäß weiteren möglichen Ausführungsformen. Die vertikale Hall-Vorrichtung weist eine blockförmige Hall-Vertiefung 102 auf, ähnlich jener der vertikalen Hall-Vorrichtung in 2. Die Hall-Vertiefung 102 ist länglich. Ein hoch leitender Gegenflächenknoten 16 liegt neben einer Gegenfläche der Hall-Vertiefung 102. Vier Kontakte C1, C2, C3 und C4 sind an der Oberfläche 11 der Hall-Vertiefung 102 angeordnet. Die Kontakte C2 und C3 liegen nahe einer Mitte der Oberfläche 11 der Hall-Vertiefung 102. Die Kontakte C2 und C3 sind länglich und ihre jeweiligen Längsachsen sind zur Längsachse der Hall-Vertiefung 102 parallel. Ferner sind die Kontakte C2 und C3 voneinander in einer Richtung senkrecht zu ihren Längsachsen beabstandet. Die Kontakte C1 und C4 liegen bei oder nahe einem ersten Ende bzw. einem zweiten Ende der Oberfläche 11 der Hall-Vertiefung 102. Kontakt C1 ist in eine n-Wanne 17-1 eingebettet und Kontakt C4 ist in eine n-Wanne 17-4 eingebettet. Wenn tiefere Diffusionen, die über die gesamte Strecke nach unten zu der n-vergrabenen Schicht reichen, in der Technologie verfügbar sind (wie z. B. tiefer Kollektor-Sinker) können sie anstelle der oder zusätzlich zur n-Wanne verwendet werden, falls sie keine signifikant große seitliche Größe erfordern. Beide Kontakte C1 und C4 können mit Metallleitungen kurzgeschlossen werden, so dass die Vorrichtung effektiv drei Klemmen C1 = C4, C2 und C3 hat.
Während einer Taktphase (ungefähr entsprechend der Taktphase 2, die in 10 dargestellt ist) wird zum Beispiel 1 V an Kontakt C2 angelegt, Kontakt C3 ist an die Erde angeschlossen und Kontakte C1 und C4 dienen als Erfassungskontakte. Der innere Widerstand ist R_i = 1720 Ohm. Die magnetische Empfindlichkeit ist S_u = 29,56 mV/V/T (unsymmetrisch) für ein Magnetfeld in der y-Richtung. Die Vorrichtung reagiert nicht auf B_x- und B_z-Magnetfelder, was auch erwünscht ist.
Während einer anderen Taktphase wird 1 V an die Kontakte C1 und C4 angelegt, Kontakt C2 ist an die Erde angeschlossen und Kontakt C3 dient als Erfassungskontakt. Der innere Widerstand ist R_i = 2062 Ohm. Die mit der Versorgungsspannung in Zusammenhang stehende magnetische Empfindlichkeit ist S_u = 21,3 mV/V/T (unsymmetrisch). Dies ist ungefähr 28% weniger als in Taktphase 1.
Das Gleichtaktpotential von Erfassungskontakt C3 ist ziemlich gering, was durch eine unzureichende nBL-Kontaktierung verursacht werden könnte (was bedeutet, dass der Spannungsabfall zwischen C4 und nBL 16 zu groß ist, nämlich etwa 20% der gesamten Versorgungsspannung). 50 zeigt die elektrische Potentialverteilung innerhalb der nBL 16. Das elektrische Potential der nBL 16 ist zwischen 0,799 V und 0,81 V: 11 mV Spannungsabfall innerhalb der nBL ist akzeptabel.
51 zeigt das elektrische Potential innerhalb der vertikalen Hall-Vorrichtung während einer weiteren Taktphase, wenn 1 V bei Kontakten C1 und C4 angelegt wird, Kontakt C3 an die Erde angeschlossen ist und Kontakt C2 der Erfassungskontakt ist (ungefähr entsprechend der Ausgestaltung der linken Hall-Vorrichtung 100 während Phase 9, die in 32 dargestellt ist). Das Magnetfeld in y-Richtung ist B_y = 0 T. Die magnetische Empfindlichkeit ist S_u = 22,8 mV/V/T (unsymmetrisch).
52 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer vertikalen Hall-Vorrichtung, in der das elektrische Potential innerhalb der Hall-Vertiefung 102 und der nBL 16 grafisch dargestellt ist. Die vertikale Hall-Vorrichtung, die in 52 dargestellt ist, ist im Grunde die gesamte Anordnung von 49 bis 51, um 90° gedreht, mit Ausnahme der inneren Kontakte, die nicht gedreht sind. Für die Taktphase, die schematisch in 52 dargestellt ist, wird 1 V an Kontakt C₃ angelegt, Kontakte C₁ und C₄ sind an die Erde angeschlossen und Kontakt C₂ ist der Erfassungskontakt. Beim Erfassungskontakt C₂ ist das elektrische Potential 0,425467 V bei einem Null-Magnetfeld, d. h. B = 0 T. Wenn ein Magnetfeld in der y-Richtung von B_y = 1 T angelegt wird, ist das elektrische Potential am Erfassungskontakt C₂ 0,399335 V. Daher ist die mit der Versorgungsspannung in Zusammenhang stehende magnetische Empfindlichkeit S_u = 26,1 mV/V/T (unsymmetrisch), d. h. ungefähr 18% größer als zuvor in 49 bis 51.
Der innere Widerstand der vertikalen Hall-Vorrichtung, die schematisch in 52 dargestellt ist, ist 4008 Ohm.
Wie schematisch in 53 dargestellt, variiert die Spannung in der nBL zwischen 0,0985 V und 0,105 V, d. h. eine Spannungsvariation von 6,5 mV. Der nBL-Kontakt ist effizienter als zuvor: nur 10% V_supply-Abfall zwischen der nBL 16 und dem nBL-Kontakt C4.
54 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Magnetfeldes parallel zu einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers. Das Verfahren weist einen Schritt 4802 zum Anschließen einer elektrischen Energiequelle an eine vertikale Hall-Vorrichtung auf. Die vertikale Hall-Vorrichtung weist ein erstes Hall-Effekt-Gebiet innerhalb eines Halbleiterkörpers, ein zweites Hall-Effekt-Gebiet innerhalb des Halbleiterkörpers und einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt sowohl mit dem ersten wie auch zweiten Hall-Effekt-Gebiet an ihren entsprechenden Gegenflächen relativ zu entsprechenden Hauptflächen auf. Ein erster Pol der elektrischen Energiequelle ist an einen ersten Kontakt (z. B. Kontakt 211 oder C1), der zu einem ersten Paar von Kontakten gehört, in oder an einer Oberfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets angeschlossen. Ein zweiter Pol der elektrischen Energiequelle ist an einen zweiten Kontakt (z. B. Kontakt 221 oder C3), der zu einem zweiten Paar von Kontakten gehört, in oder an einer Oberfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets angeschlossen. Ein signifikanter Teil des elektrischen Stroms fließt vom Kontakt des ersten Paares über das erste Hall-Effekt-Gebiet, durch den hoch leitenden Gegenflächenknoten und das zweite Hall-Effekt-Gebiet zum Kontakt des zweiten Paares oder in entgegengesetzter Richtung.
Das Verfahren weist auch einen Schritt 4804 zum Erfassen mindestens eines Erfassungssignals bei einem dritten Kontakt (z. B. 212 oder 222) mindestens eines des ersten Paares von Kontakten und des zweiten Paares von Kontakten auf.
Optional kann ein Abstand der Kontakte des ersten Paares und des zweiten Paares kleiner sein als eine Tiefe des ersten bzw. zweiten Hall-Effekt-Gebiets. Eine andere Option wäre, dass Kontakte des ersten Paares und des zweiten Paares symmetrisch in Bezug auf eine Vereinigung des ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiets angeordnet wären. Ein Abstand zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar von Kontakten kann größer als die Tiefe des ersten Hall-Effekt-Gebiets und auch als die Tiefe des zweiten Hall-Effekt-Gebiets sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Abstand zwischen den zwei Kontaktpaaren optional kleiner sein als der Abstand der Kontakte innerhalb des ersten und/oder zweiten Paares von Kontakten. Ferner kann eine konvex umschreibende Kontur des zweiten Paares von Kontakten von einer konvex umschreibenden Kontur des ersten Paares von Kontakten disjunkt sein, d. h., keine verbindende gerade Leitung zwischen den Kontakten des ersten Paares schneidet einen der Kontakte des zweiten Paares, und umgekehrt.
Das Verfahren kann ferner das Anschließen der elektrischen Energiequelle oder einer weiteren elektrischen Energiequelle an eine weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' aufweisen, die im Wesentlichen dieselbe Struktur wie die vertikale Hall-Vorrichtung 100 hat. Die vertikale Hall-Vorrichtung 100 und die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' können sogar zueinander kongruent oder im Wesentlichen identisch sein. Die weitere vertikale Hall-Vorrichtung 100' kann in entgegengesetzter Weise zur vertikalen Hall-Vorrichtung 100 vorgespannt sein, so dass ein weiteres Erfassungssignal, das an der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung 100' erfasst wird, eine entgegengesetzte Abhängigkeit vom Magnetfeld hat. Zwei Erfassungssignale haben eine entgegengesetzte Abhängigkeit vom Magnetfeld, wenn ein Erfassungssignal mit steigendem Magnetfeld oder steigender Feldkomponente steigt, während das andere mit demselben steigenden Magnetfeld oder derselben steigenden Feldkomponente fällt.
Das Verfahren kann ferner das Anschließen der elektrischen Energiequelle oder einer weiteren elektrischen Energiequelle an eine weitere vertikale Hall-Vorrichtung aufweisen, wodurch darin ein elektrischer Strom verursacht wird. Die weitere vertikale Hall-Vorrichtung kann ein weiteres erstes Hall-Effekt-Gebiet, ein weiteres zweites Hall-Effekt-Gebiet und einen weiteren hoch leitenden Knoten in ohmschem Kontakt mit Gegenflächen sowohl des ersten wie auch zweiten weiteren Hall-Effekt-Gebiets aufweisen. Die weitere vertikale Hall-Vorrichtung kann so vorgespannt sein, dass ein weiteres Erfassungssignal, das an der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung erfasst wird, eine entgegengesetzte Abhängigkeit vom Magnetfeld hat.
Optional kann ein zweites Erfassungssignal an einem vierten Kontakt (z. B. 222 oder 212) erfasst werden, der entweder zu dem erste Paar von Kontakten oder dem zweiten Paar von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung gehört. Für gewöhnlich gehören der dritte Kontakt und der vierte Kontakt zu verschiedenen Paare von Kontakten, z. B. gehört der dritte Kontakt zum ersten Paar von Kontakten und der vierte Kontakt gehört zum zweiten Paar von Kontakten. Auf gleiche Weise kann ein weiteres zweites Erfassungssignal an der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung erfasst werden, wobei das weitere zweite Erfassungssignal eine dem zweiten Erfassungssignal entgegengesetzte Abhängigkeit vom Magnetfeld hat. Das Erfassungssignal und das weitere Erfassungssignal können beide ein erstes Gleichtaktpotential haben. Eine Differenz dieser zwei Signale erzeugt ein erstes differentielles Signal.
Ferner können sowohl das zweite Erfassungssignal wie auch das weitere zweite Erfassungssignal ein zweites Gleichtaktpotential haben. Eine Differenz dieser zwei Signale erzeugt ein zweites differentielles Signal.
Ein Ausgangssignal, das das Magnetfeld angibt, kann durch Kombinieren des ersten differentiellen Signals und des zweiten differentiellen Signals erhalten werden.
Ein Schritt eines Spinning-Current-Schemas kann für das erste Paar von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und für ein weiteres erstes Paar von Kontakten der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung ausgeführt werden. Gleichzeitig wird eine Verbindungsausgestaltung des zweiten Paares von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und eines weiteren zweiten Paares der Kontakte der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung unverändert beibehalten. Das Verfahren kann dann aufweisen: Erfassen eines neuen Erfassungssignals am ersten Kontakt des ersten Paares von Kontakten und eines neuen weiteren Erfassungssignals an einem Kontakt des weiteren ersten Paares von Kontakten, die zuvor, vor Ausführung des Schritts des Spinning-Current-Schemas, als Versorgungskontakt gedient haben. Ein folgendes Signal kann dann auf der Basis mindestens eines des neuen Erfassungssignals und des neuen weiteren Erfassungssignals bestimmt werden, d. h., folgendes Signal = f(neues Erfassungssignal, neues weiteres Erfassungssignal). Im Allgemeinen bezeichnen Begriffe wie ”erster”, ”zweiter”, ”folgender”, ”anschließender”, ”gleichzeitig” nicht unbedingt eine chronologische Abfolge, sondern dienen einfach der Unterscheidung zwischen Taktphase, Signalen, usw..
Das folgende Signal kann von einem vorangehenden Signal subtrahiert werden, das ausgewählt ist aus dem Erfassungssignal, dem weiteren Erfassungssignal und dem ersten differentiellen Signal, oder umgekehrt, so dass versatzbezogene Komponenten im folgenden Signal und im vorangehenden Signal einander zumindest teilweise auslöschen. Auf diese Weise kann ein erstes versatzreduziertes Signal erhalten werden, das das Magnetfeld anzeigt.
Das Verfahren kann noch erweitert werden, indem ein zweiter Schritt des Spinning-Current-Schemas für das zweite Paar von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und für das weitere zweite Paar der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung durchgeführt wird. Diesmal, d. h., während des zweiten Schritts des Spinning-Current-Schemas, wird eine Verbindungsausgestaltung des ersten Paares von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und des weiteren ersten Paares von Kontakten der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung in der aktuellen Ausgestaltung gehalten.
Sobald der zweite Schritt des Spinning-Current-Schemas ausgeführt ist, kann ein anschließendes Erfassungssignal am zweiten Kontakt und ein anschließendes weiteres zweites Erfassungssignal an einem Kontakt der weiteres ersten Paares von Kontakten erfasst werden, die zuvor, vor dem Ausführen des zweiten Schritts des Spinning-Current-Schemas, als Versorgungskontakte dienten. Das Verfahren kann mit der Bestimmung eines zweiten folgenden Signals auf der Basis mindestens eines von dem anschließenden zweiten Erfassungssignal und dem anschließenden weiteren zweiten Erfassungssignal fortfahren. Das zweite folgende Signal kann von einem zweiten vorangehenden Signal subtrahiert werden, das ausgewählt ist aus dem zweiten Erfassungssignal, dem weiteren zweiten Erfassungssignal und dem zweiten differentiellen Signal (oder umgekehrt, d. h. das zweite vorangehende Signal kann vom zweiten folgenden Signal subtrahiert werden). Als Ergebnis löschen die versatzbezogenen Komponenten im zweiten folgenden Signal und dem zweiten vorangehenden Signal einander zumindest teilweise, so dass ein zweites versatzreduziertes Signal erhalten wird, das dann mit dem zweiten versatzreduzierten Signal kombiniert werden kann.
Das Verfahren kann ferner das Zwischenspeichern mindestens eines von dem Erfassungssignal, dem weiteren Erfassungssignal und dem ersten differentiellen Signal aufweisen, um eine zwischengespeicherte Signalquantität zu erhalten. Die Tätigkeit eines „Zwischenspeicherns” bewahrt das Signal, das während einer gewissen Taktphase des Spinning-Current-Schemas erfasst wurde, für eine spätere Verwendung, insbesondere zum Kombinieren, Addieren, Subtrahieren, usw. der verschiedenen Erfassungssignale, die während verschiedener Taktphasen erhalten wurden. Das Zwischenspeichern kann auch ein Abtasten und Halten, Speichern, „Zuführen zu einem Integrator”, eine Durchschnittsbildung usw. enthalten. Die „zwischengespeicherte Signalquantität” kann insbesondere ein Integralwert (d. h. als Ergebnis einer Integration über eine Zeitspanne erhalten) oder ein Durchschnittswert (d. h. als Ergebnis einer Durchschnittsbildung über mehrere Abtastwerte erhalten) usw. sein.
Das Verfahren kann ferner das Ausführen eines Schritts eines Spinning-Current-Schemas für das erste Paar von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und für ein weiteres erstes Paar von Kontakten der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung aufweisen, während eine Verbindungsausgestaltung des zweiten Paares von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und eines weiteren zweiten Paares der Kontakte der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung beibehalten wird. Anschließend kann ein neues Erfassungssignal am Kontakt des ersten Paares von Kontakten und ein neues zweites Erfassungssignal an einem Kontakt des weiteren ersten Paares von Kontakten erfasst werden, der zuvor, vor dem Ausführen des Schritts des Spinning-Current-Schemas, als Versorgungskontakt gedient hat. Das Verfahren kann dann mit dem Bestimmen einer neuen Signalquantität auf der Basis von mindestens einem von dem neuen Erfassungssignal und dem neuen zweiten Erfassungssignal fortfahren. Schließlich kann die neue Signalquantität von der zwischengespeicherten Signalquantität subtrahiert werden, oder umgekehrt, so dass versatzbezogene Komponenten in der neuen Signalquantität und die zwischengespeicherte Signalquantität einander zumindest teilweise löschen. Auf diese Weise kann ein erstes versatzreduziertes Signal (oder vorwiegend versatzreduziertes Signal) erhalten werden, das das Magnetfeld anzeigt.
Mit anderen Worten, gemäß einigen Ausführungsformen, aber nicht unbedingt allen Ausführungsformen, wird beim Wechsel aus einer bestimmten Taktphase des Spinning-Current-Schemas zu einer unmittelbar folgenden Taktphase nur ein Paar von Kontakten pro vertikaler Hall-Vorrichtung 100 und 100' neugestaltet, indem ihre Rollen als Versorgungskontakt und Erfassungskontakt getauscht werden. Das andere Paar von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung 100, 100' behält seine Ausgestaltung bei, die es während der bestimmten Taktphase gehabt hat (d. h. das andere Paar von Kontakten hat dieselbe Ausgestaltung, bezüglich des Kontakts, der ein Versorgungskontakt oder ein Erfassungskontakt in der bestimmten Taktphase und in der unmittelbar folgenden Taktphase ist).
Das Verfahren kann ferner das Zwischenspeichern mindestens eines von dem zweiten Erfassungssignal, dem weiteren zweiten Erfassungssignal und dem zweiten differentiellen Signal aufweisen, um eine zweite zwischengespeicherte Signalquantität zu erhalten. Ein zweiter Schritt des Spinning-Current-Schemas kann dann für das zweite Paar von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und für das weitere zweite Paar der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung ausgeführt werden. Gleichzeitig wird eine Verbindungsausgestaltung des ersten Paares von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung 100 und des weiteren ersten Paares von Kontakten der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung 100' bei seinem Status quo gehalten.
Ein drittes Erfassungssignal kann am Kontakt des ersten Paares von Kontakten erfasst werden und ein viertes Erfassungssignal kann an einem Kontakt der weiteren ersten Paares von Kontakten erfasst werden, der zuvor, vor dem Ausführen des zweiten Schritts des Spinning-Current-Schemas, als Versorgungskontakt diente. Eine zweite neue Signalquantität kann dann auf der Basis von mindestens einem von dem dritten Erfassungssignal und dem vierten Erfassungssignal bestimmt werden. Das Verfahren kann ferner das Subtrahieren der zweiten neuen Signalquantität von der zweiten zwischengespeicherten Signalquantität, oder umgekehrt, aufweisen, so dass versatzbezogene Komponenten in der zweiten neuen Signalquantität und der zweiten zwischengespeicherten Signalquantität im Wesentlichen einander zumindest teilweise löschen, um ein zweites versatzreduziertes Signal zu erhalten. Schließlich kann das erste versatzreduzierte Signal mit dem zweiten versatzreduzierten Signal kombiniert werden.
55 zeigt eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer vertikalen Hall-Vorrichtung 4100 gemäß mindestens einigen Ausführungsformen. Die vertikale Hall-Vorrichtung 4100 weist ein Hall-Effekt-Gebiet 4110 auf, das innerhalb eines Halbleiterkörpers 10 angeordnet ist. Der Halbleiterkörper 10 hat eine Hauptfläche 4011 und das Hall-Effekt-Gebiet 4110 hat eine Oberfläche, die parallel zur Hauptfläche des Halbleiterkörpers 10 liegt. Die vertikale Hall-Vorrichtung 4100 weist ferner einen hoch leitenden Gegenflächenknoten oder eine Schicht 4016 im Halbleiterkörper 10 auf, der bzw. die sich in ohmschen Kontakt zu einer Gegenfläche des Hall-Effekt-Gebiets 4110 erstrecken, die der Oberfläche des Hall-Effekt-Gebiets 4110 gegenüberliegt. Ein Paar von Kontakten C1 (4211) und C2 (4212) ist in oder an der Oberfläche des Hall-Effekt-Gebiets 4110 angeordnet. Die vertikale Hall-Vorrichtung 4100 weist auch einen Gegenflächenknotenkontakt C3 (4221) an der Hauptfläche des Hall-Effekt-Gebiets 4110 auf, wobei ein Widerstand zwischen dem Gegenflächenknotenkontakt C3 und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten 4016 kleiner ist als ein Widerstand zwischen einem beliebigen Kontakt C1, C2 des Paares von Kontakten und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten 4016. Die Kontakte C1 und C2 sind rechteckig, wobei ihre langen Seiten parallel (nicht senkrecht) zu den langen Kanten des Hall-Effekt-Gebiets 4110 sind. Das Hall-Effekt-Gebiet ist auch rechteckig. Die Mittelpunkte der Kontakte C1, C2 und C3 bilden ein Dreieck, insbesondere ein gleichschenkeliges Dreieck. In alternativen Ausführungsformen ist mindestens einer der drei Kontakte C1, C2, C3 in der Draufsicht nicht rechteckig und/oder das Hall-Effekt-Gebiet 4110 ist in der Draufsicht kein Rechteck. Stattdessen können mindestens einer der Kontakte und/oder das Hall-Effekt-Gebiet kreisförmig, oval, dreieckig, sechseckig usw. sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die langen Kanten mindestens eines der Kontakte C1, C2, C3 senkrecht zur langen Kante des Hall-Effekt-Gebiets 4110 sein.
56 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht einer vertikalen Hall-Vorrichtung 5100 gemäß weiteren Ausführungsformen. Die vertikale Hall-Vorrichtung 5100 weist ein Hall-Effekt-Gebiet 5110 mit drei Kontakten C1 (5211), C2 (5212), C3 (5221) an ihrer Hauptseite und einem hoch leitenden Gegenflächenknoten oder einer Schicht 5016 an der gegenüberliegenden Seite relativ zur Hauptseite auf (typischerweise hat diese Gegenflächenschicht 5016 denselben Leitfähigkeitstyp wie das Hall-Effekt-Gebiet 5110 – vorzugsweise n – und sie stehen in ohmschem Kontakt miteinander, so dass die Gegenflächenschicht oder vergrabene Schicht (BL) 5016 effektiv die Gegenfläche des Hall-Gebiets 5110 kurzschließt). Zwei Kontakte C1, C2 sind von gleicher Größe und Form und sie sind in Bezug auf das Hall-Gebiet 5110 symmetrisch angeordnet. Der dritte Kontakt C3 kann sich in Form, Größe, Technologie, Position, Ausrichtung unterscheiden. Er ist so ausgestaltet, dass der Widerstand zwischen dem dritten Kontakt C3 und der BL 5016 kleiner ist als der Widerstand zwischen jedem der anderen zwei Kontakte C1, C2 und BL 5016. Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen und 56 zeigt schematisch eine als ein Beispiel.
Das Beispiel von 56 zeigt ein ringförmiges Hall-Gebiet 5110, das neben einer Gegenflächenschicht oder vergrabenen Schicht 5016 mit derselben Ringform liegt. Die Kontakte C1, C2, C3 sind (diametral) entgegengesetzte Zweige des Rings: ein Zweig hat zwei rechteckige Kontaktgebiete, die nahe beieinander liegen: ihr Abstand sollte kleiner als die Tiefe des aktiven Hall-Gebiets sein. Ihre kurzen Seiten sollten auch kleiner als die Tiefe des aktiven Hall-Gebiets 5110 sein und ihre langen Seiten sollten sich über die gesamte Breite des Zweiges des ringförmigen Hall-Gebiets 5110 erstrecken (in dem Beispiel von 56 ist die lange Seite der zwei Kontakte kleiner als die Breite des Rings, da in vielen Technologien nicht erlaubt ist, dass die Kontaktdiffusionen sich dem Rand des Rings näher als ungefähr 0,5 μm oder ähnlich nähern). Die Kontaktdiffusionen sind vorzugsweise seicht (0,2 μm tief n + S/D-Diffusion), können aber auch aus mehreren Vertiefungen bestehen, die teilweise tiefer sind (z. B. n-CMOS Wanne mit etwa 1,5 μm Tiefe), solange ihre Tiefe kleiner als zum Beispiel die halbe Tiefe des aktiven Hall-Effekt-Gebiets (z. B. 5 μm) ist. Der Ring kann durch tiefe p-Diffusionen definiert sein, die gegen das aktive Hall-Gebiet 5110 umgekehrt vorgespannt sind. Dennoch können sie auch durch tiefe Isolationsgräben definiert sein. In beiden Fällen müssen die Isolierungsmittel das aktive Hall-Gebiet strukturieren – vorzugsweise strukturieren sie die Gegenflächenschicht 5016 nicht, aber in vielen Technologien ist dies der Fall (mehr oder weniger unvermeidlich). In jedem Fall ist bevorzugt, wenn die zwei kleinen Kontakte C1, C2 von dem größeren dritten Kontakt C3 durch ein Loch 5114 in der Ringstruktur isoliert sind und durch eine schmale Breite der zwei anderen Zweige des Rings, die keine Kontakte enthalten: diese Zweige sollten lang und schmal sein, so dass der Großteil des Stroms zwischen einem kleinen Kontakt C1 oder C2 und dem großen Kontakt C3 in der Gegenflächenschicht 5016 und nicht im Hall-Gebiet fließt. Es ist zu beachten, dass die Gegenflächenschicht 5016 eine mindestens 10-fache (vorzugsweise bis zu 1000-fache) bessere Leitfähigkeit hat als das Hall-Gebiet.
56 zeigt auch, dass die schmalen Seitenarme des Rings sich nicht bis zur Oberfläche des Substrats erstrecken, da dort eine p-Diffusion vorgesehen ist, die einen Teil auf der Oberfläche des Hall-Gebiets abschneiden kann, um seine Leitfähigkeit weiter zu verringern. In dem Beispiel von 56 sind zwei relativ seichte p-Diffusionen 90 in der Art eines transparenten Drahtgitters angegeben, das die effektive Tiefe des Hall-Effekt-Gebiets 5110 in der Fläche zwischen dem Paar von Kontakten C1, C2 und dem dritten Kontakt C3 verringert. Im Idealfall sollte eine p-Diffusion verwendet werden, die sich über die gesamte Strecke nach unten zur Gegenflächenschicht 5016 erstreckt – wenn eine solche Diffusion in der Technologie zur Verfügung steht: diese zwingt dann den Strom, durch die Gegenflächenschicht 5016 zu strömen.
Ferner kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Zweig des Rings zwei tiefe p-Isolierungen in den Ecken des Rings hat: sie sollten den Strom nur eines kleinen Kontakts zwingen, vertikal nach unten zu strömen und sich nur unterhalb des anderen kleinen Kontakts C1 oder C2 auszubreiten (wo das Signal abgegriffen wird) – die p-Isolierung sollte vermeiden, dass sich der Strom an zwei gegenüberliegende Seiten des Versorgungskontakts ausbreitet, wo er nutzlos ist. Dies ist schematisch in 57 dargestellt.
57 zeigt schematisch einen Querschnitt durch diesen Zweig des Ring, der die zwei kleinen Kontakte C1, C2 trägt, in einer Spinning-Current-Phase, wo C2 als Versorgungsanschluss dient und C1 als Signalklemme dient: Strom Isupply wird in C2 eingespeist und fließt vertikal nach unten durch das Hall-Gebiet 5110 in die Gegenflächenschicht 5016, wie schematisch durch die gestrichelten Stromlinien angegeben ist. Dort treten die Stromlinien in rechten Winkeln (im Falle eines verschwindenden Magnetfeldes) aufgrund der viel höheren elektrischen Leitfähigkeit des Gegenflächenknotens 5016 ein. Die tiefen p-Isolationsvertiefungen 90 sind links und rechts dargestellt und es ist erkennbar, dass die rechte p-Isolationsvertiefung 90 ein Ausbreiten der Stromlinien nach rechts verhindert. Somit breitet sich mehr Strom nach links aus, der für den Stromfluss verfügbar ist und dort entwickelt sich das Hall-Signal unmittelbar unterhalb der Signalklemme (des Erfassungskontakts) C2 und kann dort abgegriffen werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 56 ist die elektrische Potentialverteilung in 56 in einem Spinning-Current-Zyklus dargestellt, wo ein kleiner Kontakt (hier: C2) bei Hochpotential (+1 V) ist, während der große Gegenflächenschichtkontakt geerdet ist (0 V) und der andere kleine Kontakt (hier: C1) schwebend ist: er hat etwa 0,5 V Potential bei fehlendem Magnetfeld (Gleichtaktpotential), abhängig von dem Verhältnis des seitlichen Abstands zu dem hohen Kontakt C2 und dem vertikalen Abstand zur Gegenflächenschicht 5016.
Eine andere Ausführungsform einer vertikalen Hall-Vorrichtung 5100 ist in 58 gezeigt. Die Kontakte C1, C2 und C3 sind als n + S/D Diffusionen ausgeführt. Der Kontakt C3 ist in einer n-CMOS Wanne 5017-3 eingebettet. Die vertikale Hall-Vorrichtung 5100 weist auch ein aktives n-Hall-Gebiet 5110 (z. B. eine Epitaxialschicht) und den hoch leitenden Gegenflächenknoten oder die Schicht (nBL) 5016 auf. In Draufsicht sind alle Kontakte C1, C2 und C3 länglich, wobei mindestens eine ihrer langen Seiten, Kanten und Achsen parallel ist.
An der linken Seite befindet sich das aktive Hall-Gebiet 5110, das die zwei Kontakte C1 und C2 mit ungefähr der Form von langen Streifen in y-Richtung enthält (mit breiteren Teilen, die zum Herstellen von Kontakten mit Metall darauf verwendet werden). Die zwei Streifen C1, C2 sind einander zugewandt. An der rechten Seite befindet sich ein großer Kontakt – dies ist der BL-Kontakt C3. Sein Hauptzweck ist die Errichtung einer niederohmigen Verbindung zwischen Hauptflächenkontakt C3 und BL 5016. Der BL-Kontakt C3 ist vom aktiven Hall-Gebiet 5110 durch einen schlanken Zweig 5114 getrennt, dessen Zweck darin besteht, einen Stromfluss über die Epitaxialschicht zwischen C1 und dem BL-Kontakt oder zwischen C2 und dem BL-Kontakt zu verhindern: stattdessen sollte im Wesentlichen der gesamte Strom durch die BL 5016 fließen.
Die vertikale Hall-Vorrichtung 5100 in 58 kann in drei Phasen betrieben werden:
Phase 1: C1 und BL-Kontakt C3 sind Versorgungskontakte, während das Signal bei C2 abgegriffen wird
Phase 2: C2 und BL-Kontakt C3 sind Versorgungskontakte, während das Signal bei C1 abgegriffen wird
Phase 3: C1 und C2 sind Versorgungskontakte, während das Signal am BL-Kontakt C3 abgegriffen wird
In Phase 3 fließt kein nennenswerter Strom durch die BL 5016 – dennoch sollte der BL-Kontakt C3 niederohmig sein, um den Ausgangswiderstand der Vorrichtung und somit das Rauschen zu verringern.
Mit anderen Worten, die vertikale Hall-Vorrichtung 5100 weist das Hall-Effekt-Gebiet 5110 in einem Halbleiterkörper 10 auf, wobei das Hall-Effekt-Gebiet 5110 einen ersten Abschnitt 5110a, einen zweiten Abschnitt 5110b und einen Verbindungsabschnitt 5110c zwischen dem ersten Abschnitt 5110a und dem zweiten Abschnitt 5110b aufweist. Die vertikale Hall-Vorrichtung 5100 weist ferner den hoch leitenden Gegenflächenknoten 5016 in ohmschem Kontakt sowohl mit dem ersten wie auch zweiten Abschnitt 5110a, 5110b des Hall-Effekt-Gebiets 5110 im Halbleiterkörper 10 auf und sieht somit eine hoch leitende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 5110a, 5110b im Vergleich zum Verbindungsabschnitt 5110c vor. Ein Paar von Kontakten C1, C2 ist in oder an einer Oberfläche des ersten Abschnitts 5110a des Hall-Effekt-Gebiets 5110 angeordnet. Ein Gegenflächenknotenkontakt C3 ist in oder an einer Oberfläche des zweiten Abschnitts 5110b des Hall-Effekt-Gebiets 5110 angeordnet.
Es ist möglich, die Vorrichtung zu erweitern, wie schematisch in 59 dargestellt ist, in der die vertikale Hall-Vorrichtung einen weiteren Kontakt C4 aufweist, der zu Kontakt C3 symmetrisch ist. Der weitere Kontakt C4 ist in einer n-Wanne 5017-4 ähnlich der n-Wanne 5017-3 eingebettet. Ein weiterer Kontakt C4 ist in oder an der Oberfläche eines vierten Abschnitts 5110d des Hall-Effekt-Gebiets 5110 angeordnet, der mit dem mittleren ersten Abschnitt 5110a durch einen weiteren Verbindungsabschnitt 5110e verbunden ist. Ein weiteres Loch oder ein Graben 5114b befindet sich zwischen dem ersten Abschnitt 5110a, dem vierten Abschnitt 5110d und dem weiteren Verbindungsabschnitt 5110e.
Natürlich kann der linke BL-Kontakt C4 plus seinem schmalen Graben 5114b auf der xz-Ebene auch gespiegelt werden. Der Graben kann das aktive Hall-Gebiet an anderen Ecken oder in der Mitte zwischen Ecken verbinden, um den Symmetriegrad der Vorrichtung zu erhöhen.
Nach diesem Prinzip kann die Topologie leicht modifiziert werden, um sie zu vereinfachen: 60 zeigt eine schlanke rechteckige Struktur mit zwei schlanken Kontakten C1, C2, die einander in der Mitte der Vorrichtung zugewandt sind. Da das Hall-Gebiet 110 (das hier mit der Hall-Vertiefung 102 übereinstimmt) schlank ist, vermeidet es ein Ausbreiten des Stroms nach rechts der rechten Kontakte oder nach links des linken Kontakts, wodurch im Wesentlichen der gesamte Strom unter der Signalklemme C1 konzentriert wird (wenn C2 als Versorgungsanschluss verwendet wird). Der Strom tritt wieder vertikal in im Wesentlichen rechten Winkeln in die BL 16 und fließt im Inneren der BL 16 zu den zwei großen BL-Kontakten C3, C4 an den Enden der Vorrichtung (beide BL-Kontakte C3, C4 könnten kurzgeschlossen werden, so dass die Vorrichtung letztendlich nur drei Kontakte hat).
Der Abstand zwischen inneren Kontakten C1, C2 und BL-Kontakten C3, C4 sollte groß genug sein, um sicherzustellen, dass kein Strom seitlich aus C1 oder C2 zu den BL-Kontakten C3, C4 durch das Hall-Gebiet 110 fließt. 61 zeigt einen Querschnitt der Vorrichtung in der yz-Ebene durch C1: er zeigt auch, wie die tiefe p-Isolierung 90 einen direkten seitlichen Stromfluss aus C1, C2 zum BL-Kontakt C3 vermeidet (wie durch den gestrichelten Pfeil in 61 angegeben): zu diesem Zweck ist p-Isolierung 90 umgekehrt vorgespannt – d. h. sie ist an ein Potential angeschlossen, das kleiner oder gleich dem kleinsten Potential im Hall-Gebiet 110 ist.
Natürlich, wenn in der Technologie keine tiefen p-Isolierungsvertiefungen 90 zur Verfügung stehen, können auch p-Isolierungsvertiefungen verwendet werden, die sich nicht nach unten zur nBL 16 erstrecken: dann verengen sie nur den Kanal zwischen aktivem Hall-Gebiet unter C1, C2 und BL-Kontakt(en) C3 und/oder C4. Falls der seitliche Abstand entsprechend vergrößert wird, kann noch immer eine gute Unterdrückung des seitlichen Stromflusses zwischen C1, C2 und C3 erreicht werden.
Es können auch eine tiefe Kollektordiffusion oder ähnliche Strukturen für Kontakt C3 verwendet werden, um eine niederohmige Verbindung zwischen C3 und der BL 16 zu erreichen.
Es ist möglich, auf einen oder beide BL-Kontakte C3, C4 zu verzichten und die Größe des anderen entsprechend zu erhöhen: dies kann etwas Raum sparen.
Es ist zu beachten, dass in 60 eine vertikale Hall-Vorrichtung dargestellt ist, wo nicht alle Kontakte in einer Reihe sind – dies ist im Vergleich zu vielen anderen Ausgestaltungen von vertikalen Hall-Vorrichtungen neu, die typischerweise mehrere Kontakte aufweisen, die in einer Reihe angeordnet sind.
Wie können die Vorrichtung sogar noch weiter verallgemeinern, indem wir das Hall-Gebiet 110 und seine BL-Kontakte C3, C4 um 90° drehen (nicht aber die Kontakte C1 und C2): Dann gelangen wir wieder zu einer Vorrichtung, wo alle Kontakte in einer Reihe liegen, wie schematisch in 62 dargestellt. Diese Vorrichtung ist typischerweise weniger günstig, da, wenn einer der zwei mittleren Kontakte C1, C2 als Versorgungsanschluss verwendet wird, der Strom nicht gezwungen wird, sich unterhalb des anderen mittleren Kontakts auszubreiten, sondern sich auch in die Richtung des (der) BL-Kontakt(e)s C3, C4 ausbreiten kann. Natürlich wäre dies zu vermeiden, indem wieder tiefe p-Isolierungen eingeführt werden, wie schematisch in Querschnitt (= xz-Ebene) in 63 dargestellt.
In 63 zeigen wir eine tiefe Kollektordiffusion 80, die sich von der Hauptfläche zur BL 16 unterhalb C3 erstreckt, und p-Isolierungsvertiefungen 90, die nicht ideal sind (die nicht vollständig nach unten bis zur BL 16 reichen).
Natürlich ist es auch möglich, das aktive Hall-Gebiet 110 breiter und auch die Kontakte C1, C2 länger zu gestalten, während der p-Isolierungszweig so dünn wie möglich und der C3-Teil wieder breit gehalten werden. Alle Mittel, die einen Stromfluss von C1, C2 nach C3 durch nEpi (= aktives Hall-Gebiet) anstelle von nBL vermeiden, können im Prinzip verwendet werden.
Mit anderen Worten, die Erfindung zeigt eine vertikale Hall-Vorrichtung mit 3 Kontakten (C1, C2, C3), einem Hall-Effekt-Gebiet 110 und einem hoch leitenden Gegenflächenknoten 16 unterhalb des Hall-Gebiets 110. Die Widerstände C1-BL und C2-BL sind beide größer als der Widerstand C3-BL. Ein Großteil von Strom zwischen C1 und C3 (oder C2 und C3) fließt über die Gegenflächenschicht 16 und nicht vollständig über das Hall-Gebiet.
Strom, der von Kontakt C2 vertikal nach unten in die Gegenflächenschicht 16 fließt, kann sich seitlich nur unterhalb des Kontakts C1 ausbreiten, da die gegenüberliegende Seite durch Isolierungsmittel blockiert ist (Graben oder p-Isolierungsvertiefung; in 63 entspricht der ganz rechte, gestrichelte Pfeil einer Stromlinie, die effektiv durch die rechte p-Isolierungsvertiefung 90 vermieden werden würde).
64 zeigt die Konzeptidee der Vorrichtung: Sie hat zwei Kontakte C1, C2 auf der Haupt-(Ober-)Fläche und einen Kontakt C3 (effektiv) an der Gegenfläche – dieser ist der vergrabene oder Gegenflächenknoten 16. Alle drei Kontakte bilden eine Hall-Vorrichtung mit drei Kontakten in einem dreieckigen Muster: Die äußeren Kontakte sind groß und dienen nur dazu, einen niederohmigen Zugang zur BL 16 zu erlangen: die Tiefe des Hall-Gebiets 110 ist etwa 5 μm.
65 ist eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform, wo das weiße horizontale Rechteck einige Isolierungsmittel 90 bezeichnet (z. B. eine tiefe p-Vertiefung oder einen schlanken Graben), die einen oberflächlichen Stromfluss von Kontakt C3 (dem BL-Kontakt) zu den anderen zwei Kontakten C1, C2 verhindern. Die in 65 dargestellte Struktur kann durch Hinzufügen einer gespiegelten Struktur an der Grenze modifiziert werden, die dem Kontakt C3 gegenüberliegt. Auf diese Weise wird eine Ringstruktur erhalten. Es wäre ferner möglich, eine ringförmige Isolierung zwischen dem Kontaktpaar C1, C2 und dem BL-Kontakt C3 so vorzusehen, dass Querschnitte in jeder Richtung durch die Mitte des Kontaktpaars C1, C2 wie in 63 oder 61 aussehen würden – abhängig davon, wie der Querschnitt durch C1 und/oder C2 ausgeführt wird.
66 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Magnetfeldes parallel zu einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers. Der Halbleiterkörper hat eine Hauptfläche. Das Verfahren kann mit einer vertikalen Hall-Vorrichtung ausgeführt werden.
Die vertikale Hall-Vorrichtung weist ein Hall-Effekt-Gebiet im Halbleiterkörper auf, wobei das Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche hat, die zur Hauptfläche des Halbleiterkörpers parallel ist. Sie weist ferner einen hoch leitenden Gegenflächenknoten im Halbleiterkörper auf, der sich in ohmschem Kontakt zum Hall-Effekt-Gebiet an einer Seite des Hall-Effekt-Gebiets erstreckt, die der Hauptfläche des Hall-Effekt-Gebiets gegenüberliegt. Ein Paar von Kontakten ist in oder an der Hauptfläche des Hall-Effekt-Gebiets vorgesehen. Das Paar von Kontakten ist typischerweise in Bezug auf mindestens eine Symmetrieebene des Hall-Effekt-Gebiets symmetrisch, wobei die mindestens eine Symmetrieebene orthogonal zur Fläche des Hall-Effekt-Gebiets liegt. Die vertikale Hall-Vorrichtung weist auch einen Gegenflächenknotenkontakt in oder an der Fläche des Hall-Effekt-Gebiets auf, so dass der Gegenflächenknotenkontakt vom hoch leitenden Gegenflächenknoten durch einen Teil des Hall-Effekt-Gebiets getrennt ist. Ein Widerstand zwischen dem Gegenflächenknotenkontakt und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten ist kleiner als ein Widerstand zwischen einem beliebigen Kontakt des Paares von Kontakten und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten.
Das Verfahren zum Erfassen des Magnetfeldes weist einen Schritt 6002 zum Anschließen einer elektrischen Energiequelle an die vertikale Hall-Vorrichtung auf. Ein erster Pol der elektrischen Energiequelle ist an einen Kontakt des Paares von Kontakten angeschlossen und ein zweiter Pol der elektrischen Energiequelle ist an den Gegenflächenknotenkontakt angeschlossen, so dass ein elektrischer Strom vom Kontakt des Paares über einen ersten Teil des Hall-Effekt-Gebiets, den Gegenflächenknoten und einen zweiten Teil des Hall-Effekt-Gebiets oder in entgegengesetzter Richtung zum Gegenflächenknotenkontakt fließt. Das Verfahren weist auch einen Schritt 6004 zum Erfassen eines Erfassungssignals an einem weiteren Kontakt des Paares von Kontakten auf.
Obwohl einige Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wo ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Punkts oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch (oder unter Verwendung) einer Hardware-Vorrichtung ausgeführt werden, wie zum Beispiel eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung. In einigen Ausführungsformen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
In der vorangehenden ausführlichen Beschreibung ist erkennbar, dass verschiedene Merkmale gemeinsam in Ausführungsformen zusammengefasst sind, um die Offenbarung zu straffen. Dieses Verfahren der Offenbarung soll nicht so verstanden werden, dass es eine Absicht wiedergibt, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale benötigen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Wie die folgenden Ansprüche zeigen, kann vielmehr der erfinderische Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer einzigen offenbarten Ausführungsform liegen. Somit werden die folgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch für sich als eine separate Ausführungsform stehen kann. Während jeder Anspruch für sich als eine separate Ausführungsform stehen kann, wird festgehalten, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen enthalten kann. Solche Kombinationen sind hierin vorgeschlagen, falls nicht angegeben ist, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in jedem anderen unabhängigen Anspruch aufzunehmen, wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig ist.
Es wird ferner festgehalten, dass Verfahren, die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbart sind, durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Ausführen jedes der jeweiligen Schritte dieser Verfahren ausgeführt werden können.
Ferner kann in einigen Ausführungsformen ein einziger Schritt mehrere Teilschritte enthalten oder in diese aufgeteilt sein. Solche Teilschritte können enthalten und Teil der Offenbarung dieses einzelnen Schrittes sein, falls dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen dienen nur der Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es ist klar, dass Modifizierungen und Variationen der Anordnungen und der hierin beschriebenen Einzelheiten für andere Fachleute offensichtlich sind. Es besteht daher die Absicht, nur durch den Umfang der folgenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten eingeschränkt zu sein, die durch die Beschreibung und Erklärung der vorliegenden Ausführungsformen gezeigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel ”Limits of offset cancellation by the principle of spinning current Hall probe”, von Udo Ausserlechner, Proc. of IEEE Sensors, 2004, Seiten 1117–1120, Band 3 [0168]

Claims

Vertikale Hall-Vorrichtung, aufweisend: ein erstes Hall-Effekt-Gebiet und ein zweites Hall-Effekt-Gebiet, das vom ersten Hall-Effekt-Gebiet verschieden ist, wobei beide Hall-Effekt-Gebiete in einem gemeinsamen Halbleiterkörper liegen, wobei das erste Hall-Effekt-Gebiet und das zweite Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche beziehungsweise eine Gegenfläche haben; einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt mit der Gegenfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets und der Gegenfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets im Halbleiterkörper; ein erstes Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets; und ein zweites Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets, wobei eine konvex umschreibende Kontur des zweiten Paares von Kontakten von einer konvex umschreibenden Kontur des ersten Paares von Kontakten disjunkt ist.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Abstand der Kontakte von mindestens einem des ersten Paares von Kontakten und des zweiten Paares von Kontakten kleiner ist als die Tiefe von mindestens einem des ersten Hall-Effekt-Gebiets beziehungsweise des zweiten Hall-Effekt-Gebiets.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Abstand der Kontakte des ersten Paares von Kontakten und ein Abstand der Kontakte des zweiten Paares von Kontakten kleiner sind als ein Abstand des ersten Paares von Kontakten und des zweiten Paares von Kontakten.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei während des Betriebs ein elektrischer Strom dem ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiet über exakt einen Kontakt des ersten und zweiten Paares von Kontakten zugeführt wird und von dem ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiet über exakt einen anderen Kontakt des ersten und zweiten Paares von Kontakten entnommen wird.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, des Weiteren aufweisend Isolierungsmittel zwischen dem ersten Hall-Effekt-Gebiet und dem zweiten Hall-Effekt-Gebiet.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Isolierungsmittel so gestaltet ist, dass mindestens 50% eines gesamten elektrischen Stroms veranlasst werden, über den hoch leitenden Gegenflächenknoten vom ersten Hall-Effekt-Gebiet zum zweiten Hall-Effekt-Gebiet zu fließen oder umgekehrt.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kontakte des ersten Paares und des zweiten Paares symmetrisch in Bezug auf das erste beziehungsweise zweite Hall-Effekt-Gebiet angeordnet sind.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Abstand zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar größer ist als die Tiefe des ersten Hall-Effekt-Gebiets und größer ist als die Tiefe des zweiten Hall-Effekt-Gebiets.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Abstand zwischen dem ersten Paar von Kontakten und dem zweiten Paar von Kontakten sich in eine Richtung orthogonal zum Abstand zwischen den Kontakten des ersten Paares von Kontakten und auch orthogonal zum Abstand zwischen den Kontakten des zweiten Paares von Kontakten erstreckt.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Hall-Effekt-Gebiet und das zweite Hall-Effekt-Gebiet innerhalb einer gemeinsamen Vertiefung einer Dotierungsart innerhalb des Halbleiterkörpers angeordnet sind und wobei ein Abstand zwischen dem ersten Paar von Kontakten und dem zweiten Paar von Kontakten die gemeinsame Vertiefung effektiv in das erste Hall-Effekt-Gebiet und das zweite Hall-Effekt-Gebiet aufteilt.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Hall-Effekt-Gebiet eine erste mitteldotierte Wanne aufweist, wobei ein großer Teil eines Kontakts des ersten Paares von Kontakten von der ersten mitteldotierten Wanne überlappt ist, wobei das zweite Hall-Effekt-Gebiet eine zweite mitteldotierte Wanne aufweist, wobei ein großer Teil eines Kontakts des zweiten Paares von Kontakten von der zweiten mitteldotierten Wanne überlappt ist, und wobei die erste und zweite mitteldotierte Wanne einen Dotierungswert haben, der zwischen einem Dotierungswert der Kontakte und einem Dotierungswert der ersten und zweiten Hall-Effekt-Gebiete liegt, und wobei die Kontakte, die mitteldotierten Wannen und die Hall-Effekt-Gebiete mit derselben Art von Dotierung dotiert sind.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein Abstand zwischen der ersten mitteldotierten Wanne und einem Umfang des ersten Hall-Effekt-Gebiets weniger als 10% der Tiefe des ersten Hall-Effekt-Gebiets ist und wobei ein Abstand zwischen der zweiten mitteldotierten Wanne und einem Umfang des zweiten Hall-Effekt-Gebiets weniger als 10% der Tiefe des zweiten Hall-Effekt-Gebiets ist.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das erste und zweite Hall-Effekt-Gebiet in einer Epitaxialschicht des Halbleiterkörpers gebildet sind.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der hoch leitende Knoten im Falle einer n-Typ Dotierung des Hall-Effekt-Gebiets eine n-vergrabene Schicht ist und der hoch leitende Knoten im Falle einer p-Typ Dotierung des Hall-Effekt-Gebiets eine p-vergrabene Schicht ist.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Gegenflächenknoten ein Material mit einer Leitfähigkeit aufweist, die mindestens zehnmal höher ist als die Leitfähigkeit des Materials des Hall-Effekt-Gebiets.
Erfassungsanordnung, aufweisend eine vertikale Hall-Vorrichtung und eine weitere vertikale Hall-Vorrichtung, wobei die vertikale Hall-Vorrichtung und die weitere vertikale Hall-Vorrichtung jeweils aufweisen: ein erstes Hall-Effekt-Gebiet und ein zweites Hall-Effekt-Gebiet, das vom ersten Hall-Effekt-Gebiet verschieden ist, wobei beide Hall-Effekt-Gebiete in einem gemeinsamen Halbleiterkörper liegen, wobei das erste und zweite Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche beziehungsweise eine Gegenfläche haben; einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt mit den Gegenflächen des ersten Hall-Effekt-Gebiets und des zweiten Hall-Effekt-Gebiets im Halbleiterkörper; ein erstes Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets; und ein zweites Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets, wobei eine konvex umschreibende Kontur des zweiten Paares von Kontakten von einer konvex umschreibenden Kontur des ersten Paares von Kontakten disjunkt ist; wobei die hoch leitenden Gegenflächenknoten der vertikalen Hall-Vorrichtung und der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung nicht in ohmschem Kontakt miteinander stehen.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes parallel zu einer Fläche eines Halbleiterkörpers, wobei das Verfahren aufweist: Anschließen einer elektrischen Energiequelle an eine vertikale Hall-Vorrichtung, wodurch darin ein elektrischer Strom verursacht wird, wobei die vertikale Hall-Vorrichtung ein erstes Hall-Effekt-Gebiet mit einer Hauptfläche und einer Gegenfläche innerhalb eines Halbleiterkörpers, ein zweites Hall-Effekt-Gebiet mit einer Hauptfläche und einer Gegenfläche innerhalb des Halbleiterkörpers und einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt mit den Gegenflächen sowohl des ersten wie auch zweiten Hall-Effekt-Gebiets aufweist, wobei ein erster Pol der elektrischen Energiequelle an einen ersten Kontakt angeschlossen ist, der zu einem ersten Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets gehört, und wobei ein zweiter Pol der elektrischen Energiequelle an einen zweiten Kontakt angeschlossen ist, der zu einem zweiten Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets gehört, so dass ein signifikanter Teil des elektrischen Stroms vom ersten Kontakt über das erste Hall-Effekt-Gebiet, durch den hoch leitenden Knoten und das zweite Hall-Effekt-Gebiet zum zweiten Kontakt oder in entgegengesetzter Richtung fließt; und Erfassen mindestens eines Erfassungssignals an einem dritten Kontakt, der zu einem von dem ersten Paar von Kontakten und dem zweiten Paar von Kontakten gehört.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das erste Hall-Effekt-Gebiet vom zweiten Hall-Effekt-Gebiet verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei eine konvex umschreibende Kontur des zweiten Paares von Kontakten von einer konvex umschreibenden Kontur des ersten Paares von Kontakten disjunkt ist.
Verfahren nach nach einem der Ansprüche 17 bis 19, des Weiteren aufweisend: Anschließen der elektrischen Energiequelle oder einer weiteren elektrischen Energiequelle an eine weitere vertikale Hall-Vorrichtung, wodurch ein elektrischer Strom darin verursacht wird, wobei die weitere vertikale Hall-Vorrichtung ein weiteres erstes Hall-Effekt-Gebiet, ein weiteres zweites Hall-Effekt-Gebiet und einen weiteren hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt mit den Gegenflächen sowohl des ersten wie auch zweiten weiteren Hall-Effekt-Gebiets aufweist, wobei die weitere vertikale Hall-Vorrichtung so vorgespannt ist, dass ein weiteres Erfassungssignal, das an der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung erfasst wird, eine entgegengesetzte Abhängigkeit in Bezug auf das Magnetfeld hat.
Verfahren nach Anspruch 20, des Weiteren aufweisend: Erfassen eines zweiten Erfassungssignals an einem vierten Kontakt, der zu einem von dem ersten Paar von Kontakten und dem zweiten Paar von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung gehört; und Erfassen eines weiteren zweiten Erfassungssignals an der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung, wobei das weitere zweite Erfassungssignal eine dem zweiten Erfassungssignal entgegengesetzte Abhängigkeit in Bezug auf das Magnetfeld hat; wobei das Erfassungssignal und das weitere Erfassungssignal beide ein erstes Gleichtaktpotential haben und wobei eine Differenz dieser zwei Signale ein erstes differentielles Signal erzeugt; wobei das zweite Erfassungssignal und das weitere zweite Erfassungssignal beide ein zweites Gleichtaktpotential haben, das sich vom ersten GleichtaktGleichtaktpotential unterscheidet, und wobei eine Differenz des zweiten Erfassungssignals und des weiteren zweiten Erfassungssignals ein zweites differentielles Signal erzeugt; und wobei ein Ausgangssignal, das das Magnetfeld anzeigt, durch Kombinieren des ersten differentiellen Signals und des zweiten differentiellen Signals erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 21, des Weiteren aufweisend: Durchführen eines Schritts eines Spinning-Current-Schemas für das erste Paar von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und für ein weiteres erstes Paar von Kontakten der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung, wohingegen eine Verbindungsausgestaltung des zweiten Paares von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und eines weiteren zweiten Paares der Kontakte der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung aufrechterhalten wird; Erfassen eines neuen Erfassungssignals am ersten Kontakt und eines neuen weiteren Erfassungssignals an einem Kontakt des weiteren ersten Paares von Kontakten, die zuvor, vor dem Durchführen des Schritts des Spinning-Current-Schemas, als Versorgungskontakt dienten; Bestimmen eines folgenden Signals auf der Basis von mindestens einem von dem neuen Erfassungssignal und dem neuen weiteren Erfassungssignal; Subtrahieren des folgenden Signals von einem vorangehenden Signal, das ausgewählt ist aus dem Erfassungssignal, dem weiteren Erfassungssignal und dem ersten differentiellen Signal, oder umgekehrt, so dass versatzbezogene Komponenten in dem folgenden Signal und dem vorangehenden Signal einander zumindest teilweise löschen, um ein erstes versatzreduziertes Signal zu erhalten, das das Magnetfeld anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 22, des Weiteren aufweisend: Durchführen eines zweiten Schritts des Spinning-Current-Schemas für das zweite Paar von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und für das weitere zweite Paar der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung, wohingegen eine Verbindungsausgestaltung des ersten Paares von Kontakten der vertikalen Hall-Vorrichtung und des weiteren ersten Paares von Kontakten der weiteren vertikalen Hall-Vorrichtung aufrechterhalten wird; Erfassen eines anschließenden zweiten Erfassungssignals am zweiten Kontakt und eines anschließenden weiteren zweiten Erfassungssignals an einem Kontakt des weiteren ersten Paares von Kontakten, die zuvor, vor Durchführung des zweiten Schritts des Spinning-Current-Schemas, als Versorgungskontakt dienten; Bestimmen eines zweiten folgenden Signals auf der Basis von mindestens einem des anschließenden zweiten Erfassungssignals und des anschließenden weiteren zweiten Erfassungssignals; Subtrahieren des zweiten folgenden Signals von einem zweiten vorangehenden Signal, das ausgewählt ist aus dem zweiten Erfassungssignal, dem weiteren zweiten Erfassungssignal und dem zweiten differentiellen Signal, oder umgekehrt, so dass versatzbezogene Komponenten in dem zweiten folgenden Signal und dem zweiten vorangehenden Signal einander zumindest teilweise löschen, um ein zweites versatzreduziertes Signal zu erhalten; Kombinieren des ersten versatzreduzierten Signals mit dem zweiten versatzreduzierten Signal.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes parallel zu einer Fläche eines Halbleiterkörpers unter Verwendung einer Erfassungsanordnung, die zwei vertikale Hall-Vorrichtungen aufweist, wobei jede vertikale Hall-Vorrichtung aufweist: ein erstes Hall-Effekt-Gebiet und ein zweites Hall-Effekt-Gebiet im Halbleiterkörper, wobei das erste Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche und eine Gegenfläche aufweist und das zweite Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche und eine Gegenfläche hat; einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt mit der Gegenfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets und der Gegenfläche des zweiten Hall-Effekt-Gebiets im Halbleiterkörper; ein erstes Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des ersten Hall-Effekt-Gebiets, wobei ein Abstand der Kontakte des ersten Paares kleiner ist als die zweifache Tiefe des zweiten Hall-Effekt-Gebiets; ein zweites Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des zweiten Hall Effekt-Gebiets, wobei ein Abstand der Kontakte des zweiten Paares kleiner ist als die zweifache Tiefe des zweiten Hall-Effekt-Gebiets; wobei die hoch leitenden Gegenflächenknoten beider vertikaler Hall-Vorrichtungen nicht in ohmschem Kontakt miteinander stehen; wobei das Verfahren drei, sechs, neun oder zwölf Taktphasen pro Spinning-Current-Zyklus eines Spinning-Current-Schemas aufweist, wobei jede Taktphase aufweist: Anschließen eines taktphasenspezifischen ersten Kontakts jeder vertikalen Hall-Vorrichtung an ein Referenzpotential; Anlegen einer Spannung relativ zum Referenzpotential oder Einspeisen eines elektrischen Stroms an einem taktphasenspezifischen zweiten Kontakt jeder vertikalen Hall-Vorrichtung; Erfassen von Signalen an den zwei verbleibenden Kontakten pro vertikaler Hall-Vorrichtung, wobei von diesen verbleibenden Kontakten jene Kontakte, deren Signale mit einem angelegten Magnetfeld für eine bestimmte Taktphase steigen, als positive Erfassungskontakte für die Taktphase bezeichnet werden und jene Kontakte, deren Signale mit dem angelegten Magnetfeld für die Taktphase abnehmen, als negative Erfassungskontakte bezeichnet werden; wobei nach Vollendung des Spinning-Current-Zyklus ein Gesamtausgangssignal derart abgeleitet wird, dass es der Summe der Signale von positiven Erfassungskontakten in den verschiedenen Taktphasen minus der Summe der Signale von negativen Erfassungskontakten in den verschiedenen Taktphasen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei jeder Kontakt einer ersten vertikalen Hall-Vorrichtung einem spezifischen Kontakt der zweiten vertikalen Hall-Vorrichtung entspricht, so dass diese entsprechenden Kontakte beide als der taktphasenspezifische erste Kontakt, der taktphasenspezifische zweite Kontakt oder einer der zwei verbleibenden Kontakte in denselben Taktphasen dienen.
Vertikale Hall-Vorrichtung, aufweisend: ein Hall-Effekt-Gebiet in einem Halbleiterkörper, wobei das Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche und eine Gegenfläche hat; einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt mit der Gegenfläche des Hall-Effekt-Gebiets im Halbleiterkörper; ein Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des Hall-Effekt-Gebiets; einen Gegenflächenknotenkontakt in oder an der Hauptfläche des Hall-Effekt-Gebiets, wobei ein Widerstand zwischen dem Gegenflächenknotenkontakt und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten kleiner ist als ein Widerstand zwischen beiden Kontakten des Paares von Kontakten und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach Anspruch 26, wo nicht alle drei Kontakte und das Hall-Effekt-Gebiet in Draufsicht Rechtecke sind, wobei die langen Kanten der Kontakte senkrecht zur langen Kante des Hall-Effekt-Gebiets liegen.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, wobei in Draufsicht die Mittelpunkte von drei Kontakten an den Ecken eines Dreiecks, eines gleichschenkeligen Dreiecks oder eines gleichseitigen Dreiecks liegen.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei in Draufsicht das Hall-Effekt-Gebiet zwei Teilgebiete aufweist, wobei eines von ihnen das Paar von Kontakten aufweist und ein anderes von ihnen den Gegenflächenknotenkontakt aufweist.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei in Draufsicht alle Kontakte und das Hall-Effekt-Gebiet länglich sind, wobei mindestens eine ihrer langen Seiten, Kanten und Achsen parallel ist.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 30, wobei in Draufsicht der Gegenflächenknotenkontakt eine U-Form oder eine O-Form hat.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 31, wobei das Hall-Effekt-Gebiet eine Ringtopologie hat und das Paar von Kontakten diametral entgegengesetzt zum Gegenflächenknotenkontakt in Bezug auf die Ringtopologie angeordnet ist.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 32, wobei ein Abstand des Paares von Kontakten kleiner ist als eine Tiefe des Hall-Effekt-Gebiets.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 33, wobei die Kontakte des Paares von Kontakten eine längere seitliche Ausdehnung und eine kürzere seitliche Ausdehnung haben, wobei die kürzere seitliche Ausdehnung kleiner ist als eine Tiefe des Hall-Effekt-Gebiets.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 34, wobei ein Abstand zwischen mindestens einer Grenze des Hall-Effekt-Gebiets und der längsten Kante des Umfangs der Kontakte des Paares von Kontakten weniger als 20% der Tiefe des Hall-Effekt-Gebiets ist.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 35, wobei mindestens ein Kontakt von dem Paar von Kontakten und dem Gegenflächenknotenkontakt eine Kontaktdiffusion mit einer gleichen Dotierungsart wie und einem höheren Dotierungswert als das Hall-Effekt-Gebiet aufweist.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 36, des Weiteren aufweisend eine isolierende Diffusion, die innerhalb des Hall-Effekt-Gebiets zwischen dem Paar von Kontakten und dem Gegenflächenknotenkontakt gebildet ist, wobei die isolierende Diffusion eine andere Dotierungsart hat als das Hall-Effekt-Gebiet, so dass eine Grenzfläche zwischen der isolierenden Diffusion und dem Hall-Effekt-Gebiet so gestaltet ist, dass sie als ein umgekehrt vorgespannter pn-Übergang dient, wenn sie entsprechend elektrisch vorgespannt wird.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 37, des Weiteren aufweisend einen zweiten Gegenflächenknotenkontakt, der sich an einer dem Gegenflächenknotenkontakt gegenüberliegenden Seite des Paares von Kontakten befindet.
Vertikale Hall-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 39, wobei die Kontakte der Paare von Kontakten eine längliche Ausdehnung haben, die orthogonal zu einer länglichen Ausdehnung des Hall-Effekt-Gebiets ist.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes parallel zu einer Hauptfläche eines Halbleiterkörpers unter Verwendung einer vertikalen Hall-Vorrichtung, die aufweist: ein Hall-Effekt-Gebiet im Halbleiterkörper, wobei das Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche und eine Gegenfläche hat; einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt mit der Gegenfläche des Hall-Effekt-Gebiets im Halbleiterkörper; ein Paar von Kontakten in oder an der Hauptfläche des Hall-Effekt-Gebiets; einen Gegenflächenknotenkontakt in oder an der Hauptfläche des Hall-Effekt-Gebiets, wobei ein Widerstand zwischen dem Gegenflächenknotenkontakt und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten kleiner ist als ein Widerstand zwischen einem beliebigen Kontakt des Paares von Kontakten und dem hoch leitenden Gegenflächenknoten; wobei das Verfahren aufweist: Anschließen einer elektrischen Energiequelle an die vertikale Hall-Vorrichtung, wobei ein erster Pol der elektrischen Energiequelle an einen Kontakt des Paares von Kontakten angeschlossen ist und wobei ein zweiter Pol der elektrischen Energiequelle an den Gegenflächenknotenkontakt angeschlossen ist, so dass ein elektrischer Strom vom Kontakt des Paares über einen ersten Teil des Hall-Effekt-Gebiets, den hoch leitenden Gegenflächenknoten und einen zweiten Teil des Hall-Effekt-Gebiets oder in entgegengesetzter Richtung zum Gegenflächenknotenkontakt fließt; und Erfassen eines Erfassungssignals an einem weiteren Kontakt des Paares von Kontakten.
Vertikale Hall-Vorrichtung, aufweisend: ein Hall-Effekt-Gebiet in einem Halbleiterkörper, wobei das Hall-Effekt-Gebiet eine Hauptfläche, eine Gegenfläche, einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt aufweist; einen hoch leitenden Gegenflächenknoten in ohmschem Kontakt sowohl mit dem ersten wie auch dem zweiten Abschnitt an der Gegenfläche des Hall-Effekt-Gebiets, wodurch eine hoch leitende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt im Vergleich zum Verbindungsabschnitt bereitgestellt wird; ein Paar von Kontakten, das in oder an der Hauptfläche des ersten Abschnitts des Hall-Effekt-Gebiets angeordnet ist; und einen Gegenflächenknotenkontakt, der in oder an der Hauptfläche des zweiten Abschnitts des Hall-Effekt-Gebiets angeordnet ist.