DE102016109971B3 - Spinning-current-verfahren für magfet-sensor - Google Patents

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Abstract

Hier wird ein magnetfeldsensitiver MOSFET (MagFET) beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der MagFET einen Halbleiterkörper, eine erste Wannenregion, die in dem Halbleiterkörper angeordnet und mit Dotierstoffen eines ersten Dotierstofftyps dotiert ist, und eine Anzahl N von Kontaktregionen, die in der ersten Wannenregion angeordnet und mit Dotierstoffen eines zweiten, zum ersten Dotierstofftyp komplementären Dotierstofftyps dotiert sind, wobei N größer oder gleich drei ist. Eine Gate-Elektrode bedeckt die erste Wannenregion zwischen den Kontaktregionen. Die Gate-Elektrode ist von der ersten Wannenregion mittels einer Isolierschicht getrennt und dazu ausgebildet, in der ersten Wannenregion zwischen den Kontaktregionen eine Ladungsträgerdichte abhängig von der an der Gate-Elektrode anliegenden Spannung zu steuern. Die erste Wannenregion hat ein Symmetriezentrum, und die Kontaktregionen sind rotationssymmetrisch in Bezug auf das Symmetriezentrum mit einer Rotationssymmetrie der Ordnung N angeordnet.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Sensortechnik, insbesondere magnetfeldempfindliche MOSFETs (sogenannte MagFETs), die als Magnetfeldsensoren verwendet werden können.
  • HINTERGRUND
  • Ein magnetfeldempfindlicher MOSFETs (üblicherweise als MagFET bezeichnet) ist ein Magnetfeldsensor, der die von einem Magnetfeld bewirkte Ablenkung des Stroms, der durch den MOS-Kanal eines MagFETs fließt, ausnutzt. Diese Ablenkung wird von der Lorentz-Kraft bewirkt, die auf die Ladungsträger im MOS-Kanal wirkt. In sogenannten Split-Drain-MagFETs wird ein Source-Strom des MagFETs in zwei Drain-Ströme aufgeteilt, wobei das Verhältnis zwischen den Drain-Strömen von dem externen Magnetfeld abhängt. In anderen MagFET-Designs kann entlang einer Querrichtung in Bezug auf die Richtung des Stromflusses durch den MOS-Kanal ein Spannungsabfall abgegriffen werden. Der Betrag des Spannungsabfalls hängt von der Lorentz-Kraft, die auf die Ladungsträger (im Falle eines n-Kanal-MagFETs Elektronen) wirkt, ab, und folglich kann der Spannungsabfall für die Messung des Magnetfeldes ausgewertet werden. Die Verwendung eines als Magnetfeldsensor ist grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus der Publikation US 2012/0007598 A1 . Die Publikation US 9 470 552 B2 beschreibt ein die Verwendung eines sogenannten Spinning-Current-Schemas zur Reduktion des Offsets in Hall-Sensoren. In der Publikation US 2009/0237074 A1 sind ebenfalls ein Magnetfeldsensor inklusive Auswerteschaltung beschrieben.
  • Es besteht ein allgemeiner Bedarf an Magnetfeldsensoren inklusive MagFETs und geeignete Sensorschaltungen zur Steuerung des Betriebs der Sensoren und Verarbeitung der Sensorsignale.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines magnetfeldempfindlichen MOSFETs (MagFETs) beschrieben. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel hat der MagFET einen Gate-Anschluss, einen Bulk-Anschluss und zumindest drei Lastanschlüsse, welche im Betrieb mit einer Biasing-Schaltung gekoppelt sind, und das Verfahren umfasst: abwechselndes Verbinden der Biasing-Schaltung und des MagFETs in einer ersten und zumindest in einer zweiten Konfiguration, um den MagFET in einem ersten bzw. zumindest einem zweiten Betriebsmodus zu betreiben; Abgreifen einer Ausgangsspannung an dem MagFET in dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus; Kombinieren der am MagFET im ersten und zweiten Betriebsmodus abgegriffenen Ausgansspannungen; und durchgehendes konstant Halten von zumindest einer der folgenden Spannungen während Wechsel der Betriebsmodi: Gate-Bulk-Spannung zwischen dem Gate-Anschluss und dem Bulk-Anschluss und Drain-Gate Spannung zwischen einem Lastanschluss, der als Drain-Anschluss fungiert, und dem Gate-Anschluss.
  • Des Weiteren wird hier ein Magnetfeldsensor beschrieben. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist der Magnetfeldsensor einen magnetfeldsensitiven MOSFET (MagFET) auf, der einen Gate-Anschluss, einen Bulk-Anschluss und zumindest drei Lastanschlüsse sowie eine Biasing-Schaltung hat, die dazu ausgebildet ist, mit dem MagFET in einer ersten und zumindest in einer zweiten Konfiguration verbunden zu werden, um den MagFET in einem ersten bzw. zumindest einem zweiten Betriebsmodus zu betreiben. Die Biasing-Schaltung weist elektronische Schalter zum Umkonfigurieren der Biasing-Schaltung beim Wechsel von einem der Betriebsmodi ein einen anderen Betriebsmodus auf. Eine Auswerteschaltung ist dazu ausgebildet, die im ersten und zweiten Betriebsmodus am MagFET abgegriffenen Ausgangsspannungen zu kombinieren, um einen Messwert zu erhalten, der das Magnetfeld repräsentiert. Die Biasing-Schaltung ist dazu ausgebildet, durchgehend während des ersten und des zweiten Betriebsmodus einen konstanten Spannungswert für zumindest eine der folgenden Spannungen zur Verfügung zu stellen: Gate-Bulk-Spannung zwischen dem Gate-Anschluss und dem Bulk-Anschluss und Drain-Gate Spannung zwischen einem Lastanschluss, der als Drain-Anschluss fungiert, und dem Gate-Anschluss.
  • Des Weiteren wird hier ein magnetfeldsensitiver MOSFET (MagFET) beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der MagFET einen Halbleiterkörper, eine erste Wannenregion, die in dem Halbleiterkörper angeordnet und mit Dotierstoffen eines ersten Dotierstofftyps dotiert ist, und eine Anzahl N von Kontaktregionen, die in der ersten Wannenregion angeordnet und mit Dotierstoffen eines zweiten, zum ersten Dotierstofftyp komplementären Dotierstofftyps dotiert sind, wobei N größer oder gleich drei ist. Eine Gate-Elektrode bedeckt die erste Wannenregion zwischen den Kontaktregionen. Die Gate-Elektrode ist von der ersten Wannenregion mittels einer Isolierschicht getrennt und dazu ausgebildet, in der ersten Wannenregion zwischen den Kontaktregionen eine Ladungsträgerdichte abhängig von der an der Gate-Elektrode anliegenden Spannung zu steuern. Die erste Wannenregion hat ein Symmetriezentrum, und die Kontaktregionen sind rotationssymmetrisch in Bezug auf das Symmetriezentrum mit einer Rotationssymmetrie der Ordnung N angeordnet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • Die Erfindung lässt sicher mit Bezug auf die folgenden Abbildungen und Beschreibungen besser verstehen. Die in den Abbildungen dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; vielmehr wird Wert darauf gelegt, das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip zu erläutern. Des Weiteren bezeichnen in den Abbildungen gleiche Bezugszeichen korrespondierende Teile. Zu den Abbildungen:
  • 1 illustriert eine Schnittansicht eines exemplarischen MagFET-Sensors mit vier Anschlüssen.
  • 2 illustriert eine Draufsicht auf den exemplarischen MagFET-Sensor aus 1.
  • 3a–b illustrieren eine perspektivische Ansicht eines weiteren exemplarischen MagFET-Sensors mir vier Anschlüssen, wobei 3b ein Detail aus 3a zeigt.
  • 4 illustriert ein erstes Beispiel einer Sensorschaltung mit dem MagFET aus 3 und einer zugehörigen Biasing-Schaltung für den MagFET.
  • 5 illustriert ein zweites Beispiel einer Sensorschaltung mit dem MagFET aus 3 und einer zugehörigen Biasing-Schaltung für den MagFET.
  • 6 illustriert ein drittes Beispiel einer Sensorschaltung mit dem MagFET aus 3 und einer zugehörigen Biasing-Schaltung für den MagFET.
  • 7 illustriert ein viertes Beispiel einer Sensorschaltung mit dem MagFET aus 3 und einer zugehörigen Biasing-Schaltung für den MagFET.
  • 8 illustriert ein fünftes Beispiel einer Sensorschaltung mit dem MagFET aus 3 und einer zugehörigen Biasing-Schaltung für den MagFET.
  • 9 illustriert ein sechstes Beispiel einer Sensorschaltung mit dem MagFET aus 3 und einer zugehörigen Biasing-Schaltung für den MagFET.
  • 10a–b illustrieren zwei unterschiedliche exemplarische Implementierungen von Spannungsquellen zum Bereitstellen einer Gate-Spannung in der Sensorschaltung aus 9.
  • 11 illustriert eine perspektivische Ansicht eines alternativen Beispiels eines MagFET-Sensors mit drei Anschlüssen.
  • 12 illustriert ein erstes Beispiel einer Sensorschaltung mit dem MagFET aus 11 und einer zugehörigen Biasing-Schaltung für den MagFET.
  • 13 illustriert ein zweites Beispiel einer Sensorschaltung mit dem MagFET aus 11 und einer zugehörigen Biasing-Schaltung für den MagFET.
  • 14a–b illustrieren zwei unterschiedliche exemplarische Implementierungen von Spannungsquellen zum Bereitstellen einer Gate-Spannung in der Sensorschaltung aus 13.
  • 15 illustriert ein drittes Beispiel einer Sensorschaltung mit dem MagFET aus 11 und einer zugehörigen Biasing-Schaltung für den MagFET.
  • 16 illustriert ein viertes Beispiel einer Sensorschaltung mit dem MagFET aus 11 und einer zugehörigen Biasing-Schaltung für den MagFET.
  • DETAILIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 illustriert ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines magnetfeldempfindlichen MOSFETs (hier als MagFET bezeichnet). 1 ist eine vereinfachte Schnittansicht, welche einen Schnitt durch einen Halbleiterkörper 100 darstellt, der beispielsweise ein Siliziumsubstrat 101 sein kann. 2 illustriert eine korrespondierende Draufsicht. Abhängig von Herstellungsprozess kann der Halbleiterkörper 100 eine auf dem Siliziumsubstrat 101 abgeschiedene Epitaxieschicht (nicht dargestellt) aufweisen. MagFETs sind üblicherweise n-Kanal-MOSFETs (da die Ladungsträgermobilität für Elektronen signifikant höher ist als für Löcher). Jedoch können MagFETs abhängig von der tatsächlichen Anwendung und dem Herstellungsprozess auch als p-Kanal-MOSFETs implementiert werden. Obwohl sich die hier beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiele auf n-Kanal-Bauelemente beziehen, ist die vorliegende Beschreibung nicht darauf beschränkt. n-Kanal-MagFETs können in einem p-dotierten Substrat oder in einer p-dotierten Wannenregion (kurz p-Wanne) gebildet werden, die in einem n-dotierten Substrat beispielsweise mittels Ionenimplantation, Dotierstoffdiffusion oder andere bekannte Dotiertechniken gebildet wird.
  • In dem in 1 dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispiel ist das MagFET-Bauelement in einer p-Wanne 102 integriert, welche in dem n-dotierten Siliziumsubstrat 101 angeordnet ist. Die p-Wanne 102 erstreckt sich entlang einer oberseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 und umfasst zumindest drei (im vorliegenden Beispiel vier) n-dotierte Regionen 103, 104, 105 und 106 (siehe auch Draufsicht aus 2). Abhängig von der elektrischen Anbindung der n-dotierten Regionen 103, 104, 105 und 106 können zwei der n-dotierten Regionen 103, 104, 105 und 106 die Funktion von Drain-Region bzw. Source-Region übernehmen. In dem Beispiel aus 1 ist Region 103 elektrisch mit einem Drain-Anschluss (Anschluss T1) verbunden, und Region 105 ist mit einem Source-Anschluss (Anschluss T3) verbunden. Diese elektrischen Verbindungen können in einer strukturierten Verdrahtungsschicht (hergestellt z.B. aus Metall oder Polysilizium) gebildet sein. In dem Beispiel aus 1 ist der Anschluss T1 mit der Region 103 mittels dem Metallkontakt 121 verbunden, und Anschluss T3 ist mit Region 105 mittels dem Metallkontakt 123 verbunden. Abseits der n-dotierten Regionen 103, 104, 105 und 106 kann eine Oxidschicht 131 die Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 von den Metallkontakten 121, 122, 123 und 124 isolieren.
  • Zwischen den n-dotierten Regionen 103, 104, 105 und 105 ist auf der oberseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 eine Gate-Elektrode 120 (z.B. eine Metall-Elektrode oder einer Elektrode aus polykristallinem Silizium) angeordnet. Die Gate-Elektrode 120 ist elektrisch mit dem Gate-Anschluss G verbunden. Die Gate-Elektrode 120 ist mittels der Gate-Oxidschicht 130 von dem darunterliegenden Halbleiterkörper isoliert. Das elektrische Potential der Gate-Elektrode kann durch Anlegen einer bestimmten Spannung (Gate-Spannung) an den Gate-Anschluss G eingestellt werden. Ein weiterer Anschluss B (siehe 2, in 1 nicht gezeigt) ist elektrisch mit der p-Wanne 102 verbunden. Das elektrische Potential der p-Wanne 102 kann folglich durch Anlegen einer bestimmten Spannung (Bulk-Spannung) an den Anschluss B eingestellt werden.
  • 2 ist eine Draufsicht auf den MagFET aus 1. Wie man in 2 sehen kann, sind die n-dotierten Regionen 103 und 105 (verbunden mit den Anschlüssen T1 und T3) entlang einer ersten Richtung (x-Richtung) in einem Abstand d1 angeordnet, und die n-dotierten Regionen 104 und 106 (verbunden mit den Anschlüssen T2 und T4) sind entlang einer zweiten Richtung (y-Richtung, rechtwinklig zur x-Richtung) in einem Abstand d2 angeordnet. Auf diese Weise wird ein symmetrischer Sensoraufbau gebildet. Abhängig von dem Betriebsmodus werden die Anschlüsse T1 und T3 als Lastanschlüsse (Drain- bzw. Source-Anschlüsse) verwendet, während die Anschlüsse T2 und T4 als Sensor-Anschlüsse verwendet werden, oder die Anschlüsse T2 und T4 werden als Lastanschlüsse verwendet (Drain- bzw. Source-Anschlüsse), während die Anschlüsse T1 und T3 als Sensor-Anschlüsse verwendet werden. Die erwähnten Betriebsmodi werden später mit Bezug auf 4 bis 9 detaillierter erläutert Die x-, y- und z-Richtungen definieren ein Kartesisches Koordinatensystem. In der weiteren Diskussion werden Anschlüsse, die in zumindest einem Betriebsmodus als Drain- oder Source-Anschluss verwendet werden, als Lastanschlüsse bezeichnet. Selbstverständlich kann ein Lastanschluss (gleichzeitig oder alternativ zu seiner Funktion, Laststrom bereitzustellen oder abzuleiten) als Sensor-Anschluss verwendet werden, um eine Ausgangsspannung zu messen.
  • Wenn die Gate-Elektrode 102 durch Anlegen einer positiven Spannungsdifferenz zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Bulk-Anschluss B geladen wird, wird eine sogenannter Verarmungsschicht (depletion layer) gebildet, indem die positiv geladenen Löcher der p-Wanne 102 von der Gate-Oxidschicht 130 weggedrängt werden und eine ladungsträgerfreie Region von unbeweglichen, negativ geladenen Akzeptor-Ionen hinterlassen wird. Wenn die positive Spannungsdifferenz zwischen Gate-Anschluss G und Bulk-Anschluss B groß genug ist (höher als die Schwellenspannung des MagFET), erzeugt eine hohe Konzentration von negativen Ladungsträgern eine sogenannte Inversionsschicht (inversion layer, d.h. den MOS-Kanal), die in einer dünnen Schicht (als Kanalregion 110 bezeichnet) neben der Übergangsstelle zwischen Halbleiterkörper 100 und Gate-Oxidschicht 130 gebildet wird.
  • Wenn das MagFET-Sensorbauelement wie in 1 dargestellt einem externen magnetischen Feld ausgesetzt wird (magnetische Flussdichte B in z-Richtung), während ein Drain-Source-Strom iS durch die die Kanalregion 110 (siehe 1 und 2, Elektronendriftgeschwindigkeit v) in x-Richtung (z.B. von Region 103 zur Region 105) fließt, wirkt auf die Elektronen in dem Kanal eine Lorentz-Kraft FL. Die auf ein bestimmtes Elektron wirkende Lorentz-Kraft FL kann als FL = e·(v × B) berechnet werden, wobei v × B das Kreuzprodukt aus Flussdichtevektor B und Driftgeschwindigkeitsvektor v (für das bestimmte Elektron) bezeichnet und e die Elektronenladung (ca. –1.6 × 10–19 C). Die von der Lorentz-Kraft FL verursachte Verschiebung der Elektronen führt zu einem elektrischen Feld entlang der zweiten Richtung (rechtwinklig zu dem Magnetfeld und zu der Bewegung der Elektronen), und folglich – im vorliegenden Beispiel – zu einem Spannungsabfall VOUT zwischen den n-dotierten Regionen 104 und 106. Man kann zeigen, dass der Spannungsabfall VOUT gleich iS·B/(t·n·e), wobei iS den durch die Kanalregion 110 fließenden Source-Strom bezeichnet, t die Dicke der Kanalregion 110 (Inversionsschicht) bezeichnet und n die Elektronendichte in der Kanalregion 110 bezeichnet. Die Parameter t und n hängen unter anderem von der am Gate-Anschluss G und Bulk-Anschluss B anliegenden Spannung sowie von Materialparametern ab wie z.B. der Dotierstoffkonzentration in der p-Wanne 102.
  • 3 illustriert ein alternatives Ausführungsbeispiel des in 1 und 2 gezeigten MagFETs. 3a ist eine perspektivische Ansicht und 3b ein Detail des linken Teils des MagFETs. Die korrespondierende Schnittansicht würde sehr ähnlich aussehen wir der Querschnitt aus 1. Jedoch ist das Layout (Draufsicht) im vorliegenden Beispiel anders. Demnach haben der MagFET und insbesondere die Gate-Elektrode 120 eine im Wesentlichen achteckige Form. Die vier n-dotierten Regionen 103, 104, 105 und 106, die mit den Last-/Sensor-Anschlüssen T1, T2, T3 und T4 verbunden sind, sind wie in 3a gezeigt auf gegenüberliegenden Seiten der achteckigen Gate-Elektrode angeordnet. In der vergrößerten Ansicht aus 3b kann man auch sehen, wie auf der n-dotierten Region 103 der Kontakt 101 (z.B. ein Via) mit der Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 verbunden ist. Des Weiteren ist die elektrische Verbindung zwischen Gate-Anschluss G und der achteckigen Gate-Elektrode in 3b auch dargestellt. Die Gate-Elektrode 120 wird entlang einer Kante des Achtecks zwischen den Anschlüssen T1 und T4 kontaktiert. Jedoch versteht sich, dass die spezifische Implementierung der Kontakte und die Verdrahtung der Anschlüsse für die weiteren Erläuterungen nicht wichtig sind und auf beliebige konventionelle Weise unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Herstellungstechnologie gemacht werden können. Des Weiteren sei angemerkt, dass die p-Wanne 102 wie in 3a gezeigt ein achteckiges Layout haben kann. Jedoch sind auch andere Layouts möglich.
  • Die 4 bis 9 illustrieren sechs ähnliche jedoch unterschiedliche exemplarische Schaltungen zum Betrieben (Biasing) eines MagFET 1 mit vier Last-/Sensor-Anschlüssen T1, T2, T3 und T4, die mit zwei Paaren gegenüberliegender n-dotierter Regionen 103 und 105 bzw. Regionen 104 und 106 verbunden sind, welche wiederum elektrisch mittels der Kanalregion 110 gekoppelt sind, wenn die Gate-Elektrode aufgrund eines passenden Biasings des MagFETs geladen ist. Das heißt, die Kanalregion 110 stellt eine ohmsche (resistive) Verbindung zwischen den vier Last-/Sensor-Anschlüssen T1, T2, T3, T4 zur Verfügung. Die Schaltungen aus den 4 bis 9 umfassen einen MagFET mit einem Layout wie in 2 gezeigt. Jedoch kann auch ein MagFET mit einem achteckigen Layout wie in 3 gezeigt verwendet werden. Andere Layouts können ebenso eingesetzt werden.
  • Die jeweils linken Schaltbilder in 4 bis 9 illustrieren den MagFET 1 in einer ersten Konfiguration für einen ersten Betriebsmodus, wohingegen die korrespondierenden rechten Schaltbilder den MagFET 1 in einer zweiten Konfiguration für einen zweiten Betriebsmodus zeigen. Elektronische Schalter, welche in Figuren nicht dargestellt sind, um die Darstellungen einfach zu halten, können dazu verwendet werden, um jeweils zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration umzuschalten. Jede der Ausführungsbeispiele aus 4 bis 9 zeigt eine andere Implementierung des Biasings des MagFET während seines Betriebs. Es versteht sich, dass über den erwähnten elektronischen Schaltern ein kleiner Spannungsabfall auftreten kann. Jedoch werden diese Spannungsabfälle vernachlässigt, da sie für die folgenden Erläuterungen nicht relevant sind. Tatsächlich reduzieren diese Spannungsabfälle die effektive Versorgungsspannung VD um einen kleinen Betrag.
  • In dem Beispiel aus 4 wird der Source-Strom iS (Kanalstrom) mittels einer Stromquelle Q eingestellt, und die Gate-Spannung VG wird von einer Spannungsquelle bereitgestellt, die mit dem Gate-Anschluss G verbunden ist. Der Bulk-Anschluss B ist mit dem Massepotential GND verbunden. In der ersten Konfiguration (linkes Diagramm in 4) wird der Anschluss T1 mit der Versorgungsspannung VD versorgt, und die Stromquelle Q ist zwischen die Anschlüsse T3 (gegenüber Anschluss T1) und Massepotential GND geschaltet. Der Kanalstrom iS fließt im Wesentlichen vom Anschluss T1 zum Anschluss T3. Der Pfeil zeigt die globale Richtung des Stromflusses an. Die Ausgangsspannung Vout1, welche von der magnetischen Flussdichte B (siehe 1) abhängt, kann zwischen den Anschlüssen T2 und T4 abgegriffen werden. In der zweiten Konfiguration (rechtes Diagramm in 4) wird der Anschluss T2 mit der Versorgungsspannung VD versorgt, und die Stromquelle Q ist zwischen die Anschlüsse T4 (gegenüber Anschluss T2) und Massepotential GND geschaltet. Der Kanalstrom iS fließt im Wesentlichen vom Anschluss T2 zum Anschluss T4. In den hier beschriebenen Beispielen ist der Betrag des Sensorstroms iS (Source-Strom, Kanalstrom) in den beiden Betriebsmodi, die im linken und rechten Diagramm in 4 gezeigt sind, derselbe. Der Pfeil zeigt die globale Richtung des Stromflusses an, die im Vergleich zur ersten Konfiguration um 90° gedreht ist. Die Ausgangsspannung Vout2, welche von der magnetischen Flussdichte B abhängt, kann zwischen den Anschlüssen T1 und T3 abgegriffen werden.
  • In dem Beispiel aus 5 wird der Source-Strom iS (Kanalstrom) mittels einer Stromquelle Q eingestellt, die mit dem Drain des MagFET 1 verbunden ist. Die Gate-Spannung VG ist gleich der Drain-Spannung, da der Gate-Anschluss mit dem Drain-Anschluss (Anschluss T1 in der ersten Konfiguration und Anschluss T2 in der zweiten Konfiguration) verbunden ist. In diesem Beispiel wird keine separate Spannungsquelle für das Biasing der Gate-Elektrode benötigt. Der Bulk-Anschluss B ist mit Massepotential GND verbunden. In der ersten Konfiguration (linkes Diagramm in 5) ist die Stromquelle Q zwischen Anschluss T1 und Massepotential geschaltet, während der Gate-Anschluss G mit Anschluss T1 kurzgeschlossen ist. Folglich erzeugt die Stromquelle Q einen Gate-Spannung VG, welche groß genug ist, dass der MagFET in der Lage ist, den von der Stromquelle Q bereitgestellten Sensorstrom iS abzuleiten. Anschluss T3 (gegenüber Anschluss T1) ist mit Massepotential GND verbunden. Der Kanalstrom iS fließt im Wesentlichen vom Anschluss T1 zum Anschluss T3. Der Pfeil zeigt die globale Richtung des Stromflusses an. Die Ausgangsspannung Vout1, welche von der magnetischen Flussdichte B (siehe 1) abhängt, kann zwischen den Anschlüssen T2 und T4 abgegriffen werden. In der zweiten Konfiguration (rechtes Diagramm in 5) ist die Stromquelle Q zwischen Anschluss T2 und Massepotential geschaltet, während der Gate-Anschluss G mit Anschluss T2 kurzgeschlossen ist. Wieder erzeugt die Stromquelle Q einen Gate-Spannung VG, welche groß genug ist, dass der MagFET in der Lage ist, den von der Stromquelle Q bereitgestellten Sensorstrom iS abzuleiten. Anschluss T4 (gegenüber Anschluss T2) ist mit Massepotential GND verbunden. Der Kanalstrom iS fließt im Wesentlichen vom Anschluss T2 zum Anschluss T4. Der Pfeil zeigt die globale Richtung des Stromflusses an. Die Ausgangsspannung Vout2, welche von der magnetischen Flussdichte B (siehe 1) abhängt, kann zwischen den Anschlüssen T1 und T3 abgegriffen werden.
  • Das Beispiel aus 6 ist im Wesentlichen das gleiche wie in 4. Jedoch umfasst das Beispiel aus 6 eine zusätzliche Spannungsquelle für das Biasing der p-Wanne 102. Dieses Biasing wird erreicht, indem eine weitere Spannungsquelle zwischen den Bulk-Anschluss B und den Source-Anschluss geschaltet wird, welcher in der ersten Konfiguration (rechtes Diagramm in 6) der Anschluss T4 und in der zweiten Konfiguration (linkes Diagramm in 6) der Anschluss T3 ist. Die weitere Spannungsquelle legt zwischen Bulk-Anschluss B und dem Source-Anschluss eine Spannung VBS an. In einem spezifischen Beispiel kann die Spannung VBS auf null Volt (VBS = 0V) gesetzt werden. Im vorliegenden Beispiel hängt das Bulk-Potential vom Source-Potential (korrespondiert mit der Spannung zwischen Source-Anschluss und Masse) ab, wobei das Bulk-Potential im vorherigen Beispiel aus 4 fix auf Massepotential (0 Volt) liegt. Dies kann potentielle Fehler aufgrund von Asymmetrien des MagFETs reduzieren, beispielsweise wenn die Abstände d1 und d2 (siehe 2) nicht exakt gleich sind oder wenn der Kanalwiderstand eine Anisotropie aufweist.
  • Das Beispiel aus 7 ist im Wesentlichen das gleiche wie in 6 abgesehen davon, dass für das Biasing der Gate-Elektrode nicht eine Gate-Spannung VG in Bezug auf das Massepotential verwendet wird, sondern vielmehr eine Gate-Source-Spannung VGS, welche zwischen den Gate-Anschluss G und den Source-Anschluss (d.h. Anschluss T3 in der ersten Konfiguration und Anschluss T4 in der zweiten Konfiguration) angelegt wird. Dies kann ebenso potentielle Fehler aufgrund von Asymmetrien des MagFETs reduzieren, beispielsweise wenn die Abstände d1 und d2 (siehe 2) nicht exakt gleich sind, was zu unterschiedlichen Source-Spannungen im der ersten und der zweiten Konfiguration (siehe linkes und rechtes Diagramm in 7) führen kann.
  • Das Beispiel aus 8 ist ähnlich dem Beispiel aus 5, in dem die Gate-Elektrode des MagFET mittels der Stromquelle Q geladen wird und der Source-Anschluss (Anschluss T3 in der ersten Konfiguration und Anschluss T4 in der zweiten Konfiguration) mit Massepotential verbunden ist. Zusätzlich zu dem Beispiel aus 5 wird eine Bulk-Spannung VBS zwischen den Bulk-Anschluss B und den Source-Anschluss angelegt, anstatt den Bulk-Anschluss B mit Massepotential zu verbinden (wie es in dem Beispiel aus 5 gemacht wird). Des Weiteren wird ein konstanter Spannungsoffset VDG zwischen Drain-Anschluss (Anschluss T1 in der ersten Konfiguration und Anschluss T2 in der zweiten Konfiguration) und Gate-Anschluss G bereitgestellt. In einem spezifischen Beispiel kann der Spannungsoffset VDG null sein (VDG = 0V). Während des Betriebs lädt die Stromquelle Q die Gate-Elektrode so, dass die Gate-Spannung groß genug ist, dass der MagFET in der Lage ist, den von der Stromquelle Q bereitgestellten Sensorstrom iS abzuleiten.
  • Das Beispiel aus 9 ist ebenfalls ähnlich dem Beispiel aus 5, in dem der Drain-Anschluss (Anschluss T1 in der ersten Konfiguration und Anschluss T2 in der zweiten Konfiguration) mit der Stromquelle Q verbunden ist und der Source-Anschluss (Anschluss T3 in der ersten Konfiguration und Anschluss T4 in der zweiten Konfiguration) mit Massepotential verbunden ist. Zusätzlich zu dem Beispiel aus 5 wird eine spezifische Bulk-Spannung VBS zwischen den Bulk-Anschluss B und den Source-Anschluss angelegt, anstatt den Bulk-Anschluss B mit Massepotential zu verbinden (wie es in dem Beispiel aus 5 gemacht wird). Anders als in dem Beispiel aus 5 wird die Gate-Elektrode nicht mittels der Stromquelle Q geladen, sondern vielmehr wird eine spezifische Gate-Spannung VG von einer Spannungsquelle bereitgestellt. In spezifischen Beispielen kann die Spannung VBS null sein.
  • In dem Beispiel aus 9 wird der MagFET im Wesentlichen als Stromquelle betrieben, die gegen die Stromquelle Q arbeitet, welche mit dem Drain-Anschluss verbunden ist. Folglich muss die Spannungsquelle eine Gate-Spannung VG bereitstellen, die groß genug ist, dass der MagFET in der Lage ist, den von der Stromquelle Q bereitgestellten Sensorstrom iS abzuleiten. 10 illustriert zwei exemplarische Implementierungen einer Spannungsquelle, welche die Gate-Spannung VG für den MagFET aus 9 erzeugt. Beide Beispiele aus 10 umfassen einen weiteren MagFET, der ein mit dem MagFET aus 9 identisches Layout hat. In beiden Implementierungen ist der Gate-Anschluss G des weiteren MagFET mit dem Drain-Anschluss verbunden, während der Source-Anschluss mit Massepotential verbunden ist. Die Bulk-Spannung
  • Wie oben erwähnt können in den Ausführungsbeispielen gemäß 4 bis 9 zum Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration elektronische Schalter verwendet werden. Während des Betriebs des MagFET-Sensors werden die Schaltungen zum Biasing eines MagFETs abwechselnd on die erste Konfiguration und in die zweite Konfiguration geschaltet. Das Umschalten zwischen den ersten und den zweiten Betriebsmodi zieht eine Rotation der globalen Stromflussrichtung durch den MagFET nach sich. Daher wird das Konzept auch als Spinning-Current-Modus bezeichnet. Ein spezifisches Spinning-Current-Schema kann man durch den Wechsel der Konfiguration der mit einem MagFET gekoppelten Biasing-Schaltung erreichen. In den verschiedenen Konfigurationen können die Lastanschlüsse (Drain- oder Source-Anschlüsse) T1, T2, T3 und T4 abwechselnd als Drain-Anschluss, als Source-Anschluss oder als Sensoranschlüsse (zwischen denen die Ausgangsspannung abgegriffen wird) konfiguriert sein.
  • In dem ersten Betriebsmodus sind die Schaltungen aus 4 bis 9 in der ersten Konfiguration (linke Diagramme in 4 bis 9) geschaltet und im zweiten Betriebsmodus sind die Schaltungen aus 4 bis 9 in der zweiten Konfiguration (rechte Diagramme in 4 bis 9) geschaltet. Um einen Messwert zu erhalten, der die magnetische Flussdichte B (siehe 1) repräsentiert, werden die im ersten Betriebsmodus erzeugte Ausgansspannung Vout1 und die im zweiten Betriebsmodus erzeugte Ausgansspannung Vout2 kombiniert, indem die Ausgangspannungen addiert oder gemittelt werden. Durch das Addieren oder das Mitteln der Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 wird ein Offset-Fehler reduziert oder im besten Fall sogar eliminiert. Der Offset-Fehler wird im Wesentlichen durch unvermeidliche Asymmetrien des MagFET-Layouts verursacht. z.B. wenn die Länge d1 und die Länge d2 nicht exakt gleich sind (siehe 2), die Dotierung nicht perfekt gleichmäßig ist, etc.
  • Es bestehen verschiedene Optionen, die von den Schaltungen aus 4 bis 9 im ersten bzw. zweiten Betriebsmodus erzeugten Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 zu summieren oder zu mitteln. Tatsächlich sind Mitteln und Addieren praktisch das gleiche, da die Summe immer proportional zum Mittelwert ist. Beispielsweise können die Schaltungen für eine Zeitspanne t1 im ersten Betriebsmodus und für eine Zeitspanne t2 im zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Die Ausgansspannung Vout1 bzw. Vout2 kann einem Integrator zugeführt werden, der ein Integrator-Ausgangssignal erzeugt, das proportional zu Vout1·t1 + Vout2·t2 ist. wenn die Zeitspannen t1 und t2 gleich sind, ist das Integrator-Ausgangssignal proportional zur Summe Vout1 + Vout2. Der Integrator kann nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen zurückgesetzt werden, wobei ein Zyklus eine Periode in der ersten Konfiguration und eine Periode in der zweiten Konfiguration beinhaltet.
  • Eine andere Option zum Addieren oder Mitteln der Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 umfasst das Laden eines Kondensators C1, indem während des ersten Betriebsmodus die Ausgansspannung Vout1 an den Kondensator angelegt wird, und das Laden eines Kondensators C2, indem während des zweiten Betriebsmodus die Ausgansspannung Vout2 an den Kondensator angelegt wird. Die in den Kondensatoren C1 bzw. C2 gespeicherten Ladungen Q1 und Q2 sind Q1 = Vout1·C1 und Q2 = Vout2·C2. Um die Summe zu erhalten, werden die Kondensatoren von dem MagFET getrennt und parallel geschaltet, sodass sich die Ladungen zu Q = Q1 + Q2 und die Kapazitäten zu C = C1 + C2 addieren. Der Spannungsabfall Vout über der Parallelschaltung des Kondensatoren C1 und C2 kann gemäß Vout = (Vout1·C1 + Vout2·C2)/C berechnet werden. Wenn die Kondensatoren gleich sind, vereinfacht sich der Ausdruck zu Vout = (Vout1 + Vout2)/2, was exakt dem Mittelwert der Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 entspricht.
  • Mit Ausnahme des Beispiels aus 4 sind die Gate-Spannung, die Bulk-Spannung oder beide an die Drain- oder Source-Spannung des MagFET gekoppelt (direkt oder über eine Konstantspannungsquelle). Da der ohmsche Widerstand des MOS-Kanals 110 (siehe 1) für die Strompfade zwischen den Anschlüssen T1 und T3 bzw. den Anschlüssen T2 und T4 verschieden sein kann (z.B. aufgrund Asymmetrien im Layout), kann die Bulk- oder Gate-Spannung im ersten und zweiten Betriebsmodus geringfügig verschieden sein. Bulk- und Gate-Spannung haben jedoch einen signifikanten Einfluss auf die Dicke t der Kanalregion 110 und folglich auf die Elektronendichte n in derselben. Abhängig von der Anwendung kann es folglich wichtig sein, zumindest eine der Spannungen VGB und VBS (Gate-Bulk-Spannung und Bulk-Source-Spannung) über die verschiedenen Betriebsmodi hinweg auf dem gleichen Pegel zu halten, obwohl die absolute Spannung (in Bezug auf das Massepotential) am Gate-Anschluss G oder Bulk-Anschluss B aufgrund der Modiwechsel variieren kann.
  • Die folgende Tabelle illustriert, welche Spannungen im ersten und im zweiten Betriebsmodus identisch sind und welche Spannungen aufgrund von Modiwechsel variieren.
    Beispiel aus Gate-Bulk-Spannung VGB Drain-Gate-Spannung VDG Bulk-Source-Spannung VBS Drain-Bulk-Spannung VDB
    Fig. 4 identisch identisch variabel identisch
    Fig. 5 variabel identisch identisch variabel
    Fig. 6 variabel identisch identisch variabel
    Fig. 7 identisch variabel identisch variabel
    Fig. 8 variabel identisch identisch variabel
    Fig. 9 identisch variiert identisch variabel
  • Angesichts der in 4 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispiele wird ein Fachmann erkennen, dass geringfügige Modifikationen der dargestellten Beispiele gebraucht werden, um entweder die Gate-Bulk-Spannung VGB in beiden Betriebsmodi gleich zu machen oder die Drain-Gate-Spannung VDG in beiden Betriebsmodi gleich zu machen.
  • 11 illustriert ein alternatives Ausführungsbeispiel eines MagFET-Bauelements, welches – zusätzlich zu einem Gate-Anschluss G und einem Bulk-Anschluss B – nur drei Last-/Sensor-Anschlüsse T1, T2, T3 aufweist (wohingegen das vorherige Beispiel aus 3 vier hat). Um einen symmetrischen Aufbau in allen Konfigurationen (und folglich in allen Betriebsmodi eines Spinning-Current-Schemas) zu ermöglichen, kann der MagFET aus 11 ein im Wesentlichen sechseckiges Layout haben und die drei Sensorstrom-Anschlüsse T1, T2 und T3 können einen Winkelabstand von 120 Grad aufweisen. 11 illustriert die p-Wanne 102, welche in ähnlicher Weise wie in dem Beispiel aus 1 in einem n-dotieren Substrat 101 (in 11 nicht explizit gezeigt) integriert sein kann. Die Anschlüsse T1, T2 und T3 stellen einen elektrischen Kontakt zu den n-dotierten Regionen 103, 104 bzw. 105 zur Verfügung. Die Gate-Elektrode 120 bedeckt die Oberfläche des Halbleiterkörpers in dem Gebiet p-Wanne zwischen den Regionen 104, 104 und 105. Der Gate-Anschluss G kann elektrisch mit der Gate-Elektrode 120 über den Gate-Kontakt 120‘ verbunden sein, und der Bulk-Anschluss B kontaktiert die p-Wanne 102 über eine p-Wannen-Kontaktregion 103‘. Die Region 103‘ ist mit einer höheren Dotierstoffkonzentration p-dotiert als die p-Wanne 102. Anders als in den vorherigen Beispielen aus 4 bis 9 werden die Last-Anschlüsse in allen Betriebsmodi gleichzeitig auch als Sensor-Anschlüsse verwendet. insbesondere die beiden Drain-(split drain)Anschlüsse werden als Sensor-Anschlüsse verwendet, an denen die Ausgansspannung abgegriffen wird.
  • Während des Betriebs des MagFETs übernimmt einer der Last-/Sensor-Anschlüsse die Funktion eines Source-Anschlusses und die verbleibenden zwei Anschlüsse übernehmen gemeinsam die Funktion von sogenannten Split-Drain-Anschlüssen, welche gleichzeitig auch als Sensor-Anschlüsse, an denen die Ausgansspannung abgegriffen wird, verwendet werden. Da das Bauelement ein im Wesentlichen symmetrisches Layout (Rotationssymmetrie 3. Ordnung) hat, kann ein Spinning-Current-Schema implementiert werden, wobei die globale Stromflussrichtung um 120° rotiert wird, wenn von einem Betriebsmodus in den darauffolgenden Betriebsmodus gewechselt wird. In jedem Betriebsmodus ist die Biasing-Schaltung auf unterschiedliche Weise mit dem MagFET verbunden. Im vorliegenden Beispiel können drei verschiedene Konfigurationen in drei unterschiedlichen Betriebsmodi eines Spinning-Current-Schemas verwendet werden. In einem ersten Betriebsmodus fungieren der Anschluss T1 als Source-Anschluss und die Anschlüsse T2 und T3 als Split-Drain-Anschlüsse. In einem zweiten Betriebsmodus fungieren der Anschluss T2 als Source-Anschluss und die Anschlüsse T3 und T1 als Split-Drain-Anschlüsse. Schließlich fungieren in einem dritten Betriebsmodus der Anschluss T3 als Source-Anschluss und die Anschlüsse T1 und T2 als Split-Drain-Anschlüsse. Die folgenden 12, 13, 15 und 16 illustrieren drei exemplarische Schaltungen, welche für das Biasing eines in 11 dargestellten Split-Drain-MagFETs verwendet werden können. Schließlich können die Ausgangsspannungen Vout1, Vout2 und Vout3, die in den drei Modi erzeugt werden, mittels Summation oder Mittelung in ähnlicher Weise kombiniert werden, wie das in Bezug auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert wurde. Wie oben angegeben kann ein Spinning-Current-Schema implementiert werden, indem die Konfigurationen der mit dem MagFET gekoppelten Biasing-Schaltung in einer bestimmten Reihenfolge geändert werden. In verschiedenen Konfigurationen sind die Lastanschlüsse (Drain- oder Source-Anschlüsse) T1, T2 und T3 des MagFETs abwechselnd als erster Drain-Anschluss, zweiter Drain-Anschluss und Source-Anschluss konfiguriert, wobei die Ausgangsspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Drain-Anschluss abgegriffen wird. Um eine endgültige Ausgangsspannung zu erhalten, die als Messwert für den magnetischen Fluss betrachtet werden kann, werden die in jedem Betriebsmodus erhaltenen Ausgangsspannungen wie oben mit Bezug auf 3 bis 10 erläutert addiert oder gemittelt. In einem allgemeineren Beispiel hat die Halbleiterregion, welche die p-Wanne 102 bildet, ein Symmetriezentrum und die Kontaktregionen (im vorliegenden Beispiel die Regionen 103, 104 und 105) sind rotationssymmetrisch in Bezug auf das Symmetriezentrum mit einer Rotationssymmetrie N-ter Ordnung angeordnet. Im vorliegenden Fall ist N gleich 3. In dem vorherigen Beispiel aus 3 ist N gleich 4. Die Kontaktregionen sind auf der nahe dem Umfang der p-Wanne 102 angeordnet.
  • 12 illustriert eine Biasing-Schaltung und einen MagFET 2 in einer ersten Konfiguration für einen ersten Betriebsmodus. Wie erwähnt, können die Anschlüsse T1, T2 und T3 „rotiert“ werden, um die Schaltung in eine zweite Konfiguration für einen einen zweiten Betriebsmodus umzuschalten. Demnach wird der mit Anschluss T1 verbundene Schaltungsknoten mit Anschluss T2 verbunden, der mit Anschluss T2 verbundene Schaltungsknoten wird mit Anschluss T3 verbunden, und der mit Anschluss T3 verbundene Schaltungsknoten wird mit Anschluss T1 verbunden. Eine weitere „Rotation“ der Anschlüsse ergibt eine dritte Konfiguration für einen dritten Betriebsmodus. Aufgrund der erwähnten Rotationssymmetrie dritter Ordnung des MagFET-Layouts bringt eine dritte Rotation die Schaltung zurück in die erste Konfiguration. Elektronische Schalter, die in den Figuren nicht gezeigt sind, um die Darstellungen einfach zu halten, können zum Umschalten zwischen der ersten und zweiten Konfiguration verwendet werden. In dem Beispiel aus 12 ist der Source-Anschluss (in der ersten Konfiguration Anschluss T3) mit einer ersten Stromquelle Q1 gekoppelt, welche einen Senke für einen definierten Source-Strom iS (Sensorstrom) darstellt, während eine definierte Gate-Spannung VG an den Gate-Anschluss G und eine definierte Bulk-Spannung VB an den Bulk-Anschluss angelegt wird. Ein erster der Drain-Anschlüsse (in der abgebildeten ersten Konfiguration Anschluss T1) wird mit der Versorgungsspannung VD versorgt, wohingegen ein zweiter der Drain-Anschlüsse (in der abgebildeten ersten Konfiguration Anschluss T2) mit einer zweiten Stromquelle Q2 verbunden ist, welche einen Strom liefert, der gleich der Hälfte des Source-Stroms iS ist. In der ersten Konfiguration wird die Ausgangsspannung Vout1 zwischen den Split-Drain-Anschlüssen (d.h. Anschlüsse T1 und T2) abgegriffen, in der zweiten Konfiguration wird die Ausgangsspannung Vout2 zwischen den Split-Drain-Anschlüssen (d.h. Anschlüsse T2 und T3) abgegriffen, und in der dritten Konfiguration wird die Ausgangsspannung Vout3 zwischen den Split-Drain-Anschlüssen (d.h. Anschlüsse T3 und T1) abgegriffen. Theoretisch sollten – im Falle eines idealen MagFETs – die Ausgangsspannungen Vout1, Vout2 und Vout3, die man in den verschiedenen Betriebsmodi erhält, für einen bestimmten magnetischen Fluss gleich sein und, sofern kein externer magnetischer Fluss (vgl. 1) anwesend ist, null sein. Aufgrund von unvermeidlichen Asymmetrien des Sensoraufbaus sind die Ausgangsspannungen Vout1, Vout2 und Vout3 jedoch mit unerwünschten Offsetspannungen behaftet (welche sich zu den „idealen“ Ausgangsspannungen hinzuaddieren). Das erwähnte Summieren oder Mitteln der Ausgangsspannungen Vout1, Vout2 und Vout3 hat eine teilweise Aufhebung der Offsets in den verschiedenen Betriebsmodi zur Folge, und ermöglichen eine verbesserte Messung des magnetischen Feldes.
  • In dem Beispiel aus 12 (erste Konfiguration) zieht die Stromquelle Q1 die Source-Spannung am Anschluss T3 soweit nach unten, dass der MagFET ausreichend leitfähig wird, um den gesamten Source-Strom iS abzuleiten. Gate- und Bulk-Spannung VG und VB müssen so gewählt werden, dass in einem eingeschwungenen Zustand (steady state) die Gate-Spannung VG (in Bezog auf das Massepotential) größer ist als die Source-Spannung VS, und die Bulk-Spannung VB gleich oder kleiner ist als die Source-Spannung VS. Abhängig von der magnetischen Flussdichte B (vgl. 1) kann die Spannung am Anschluss T2 höher sein als am Anschluss T1 (der mit VD versorgt wird), sodass die Stromquelle Q2 in der Lage sein sollte bei Spannungen zu arbeiten, die höher sind als die Versorgungsspannung VD, um für eine beliebige magnetische Flussdichte B den Strom iS/2 am Anschluss T2 in den MagFET einzuspeisen.
  • Im Allgemeinen ermöglichen drei Anschlüsse T1, T2 und T3 drei Fakultät, d.h. sechs (3! = 6), verschiedene Möglichkeiten, den MagFET mit der Stromquelle Q1, der Versorgungsspannung VD und der Stromquelle Q2 zu verbunden. Daher kann das oben erläuterte Spinning-Current-Schema weiter verfeinert werden, indem drei weitere Konfigurationen (vierte bis sechste Konfiguration) hinzugefügt werden. Demnach erhält man die vierte Konfiguration aus der ersten Konfiguration durch Vertauschen der Verbindungen der Anschlüsse T1 und T3 (d.h. Versorgungsspannung VD wird mit Anschluss T3 statt mit T1 verbunden und Stromquelle Q1 wird mit Anschluss T1 statt mit T3 verbunden). Die fünfte Konfiguration erhält man aus der zweiten Konfiguration durch Vertauschen der Verbindungen der Anschlüsse T2 und T1 (d.h. Versorgungsspannung VD wird mit Anschluss T1 statt mit T2 verbunden und Stromquelle Q1 wird mit Anschluss T2 statt mit T1 verbunden). Gleichermaßen erhält man die sechste Konfiguration aus der dritten Konfiguration durch Vertauschen der Verbindungen der Anschlüsse T3 und T2 (d.h. Versorgungsspannung VD wird mit Anschluss T2 statt mit T3 verbunden und Stromquelle Q1 wird mit Anschluss T3 statt mit T2 verbunden). In jeder der sechs Konfigurationen bzw. den zugehörigen Betriebsmodi werden die Ausgangsspannungen Vout1 bis Vout6 zwischen den zwei Split-Drain-Anschlüssen abgegriffen. In den hier beschriebenen Beispielen bleiben die von den Stromquellen Q1 und Q2 gelieferten Ströme durch alle Betriebsmodi hindurch konstant. Wie erwähnt können die Ausgangsspannungen, die man während der verschiedenen Betriebsmodi erhält, gemittelt oder addiert werden, um eine Gesamtausgangsspannung als Messwert für die magnetische Flussdichte B zu erhalten. Die sechs Konfigurationen bzw. die zugehörigen Betriebsmodi der Schaltung aus 12 sind in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst.
    1. Konf. 2. Konf. 3. Konf. 4. Konf. 5. Konf. 6. Konf.
    Anschluss verbunden mit VD T1 T3 T2 T3 T2 T1
    Anschluss verbunden mit Q2 T2 T1 T3 T2 T1 T3
    Anschluss verbunden mit Q1 T3 T2 T1 T1 T3 T2
    Vouti Abgriff zwischen T1, T2 T3, T1 T2, T3 T3, T2 T2, T1 T1, T3
  • 13 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Biasing-Schaltung für den MagFET aus 11. Im vorliegenden Beispiel ist der Source-Anschluss (Anschluss T3 in der dargestellten ersten Konfiguration) mit Masse GND verbunden. Der erste Drain-Anschluss (Anschluss T1 in der abgebildeten ersten Konfiguration) ist mit Stromquelle Q2a verbunden, und der zweite Drain-Anschluss (Anschluss T2 in der abgebildeten ersten Konfiguration) ist mit Stromquelle Q2b verbunden, während Gate-Anschluss G und Bulk-Anschluss B wieder mit einer definierten Gate-Spannung VG bzw. Bulk-Spannung VB versorgt werden. Der Source-Strom iS ist die Summe der beiden Drain-Ströme und folglich gleich iS. Die Ausgangsspannung Vout1 wird zwischen den beiden Drain-Anschlüssen abgegriffen. Für die vorliegende Schaltung sind drei verschiedene Konfigurationen bzw. Betriebsmodi möglich. Die zweite Konfiguration erhält man durch „Rotieren“ der Anschlüsse in ähnlicher Weise wie beim vorherigen Beispiel. Da die Stromquellen Q2a und Q2b im Wesentlichen identisch sind, sind jedoch anstatt sechs nur drei Konfigurationen möglich. Jedoch weisen im Allgemeinen die von den Stromquellen Q2a und Q2b gelieferten Ströme in der Praxis eine kleine unvermeidbare Abweichung (mismatch) auf, welche einen zusätzlichen Offset-Fehler verursachen kann. Die Fehler aufgrund dieser Abweichung können in einem Spinning-Current-Schema eliminiert werden, indem ein zusätzlicher konjugierter Betriebsmodus zu jedem der drei Original-Betriebsmodi hinzugefügt wird. Diese zusätzlichen konjugierten Betriebsmodi sind einer Schaltungskonfiguration zugeordnet, in der lediglich die beiden Stromquellen vertauscht werden. Schließlich werden die Ausgangsspannungen aller sechs Betriebsmodi kombiniert (z.B. mittels Addition oder Mittelung).
  • Wie in dem vorherigen Beispiel aus 9 ist die Source des MagFET direkt mit Masse verbunden, und folglich muss das Gate-Potential (das im vorliegenden Beispiel gleich der Gate-Source-Spannung ist) hoch genug sein (durch Anlegen einer passenden Gate-Spannung VG am Anschluss G), sodass der MagFET in der Lage ist, den gesamten Drain-Strom iS/2 + iS/2 abzuleiten. 14 illustriert zwei exemplarische Implementierungen von Spannungsquellen, welche dazu ausgebildet sind, eine geeignete Gate-Spannung für den MagFET zu erzeugen, der in der Schaltung aus 13 verwendet wird. Beide Beispiele aus 14 umfassen einen weiteren MagFET, der ein Layout aufweist, das mit dem MagFET aus 13 identisch ist. Die Spannungsquellenschaltung aus 14a ist im Wesentlichen identisch mit der Schaltung aus 13, abgesehen davon, dass der Gate-Anschluss mit dem Anschluss T1 kurzgeschlossen ist. Die von der Spannungsquelle aus 14a gelieferte Gate-Spannung VG ist daher gleich wie die am Anschluss T1 vorhandene Drain-Spannung. In dem Beispiel aus 14b ist der Gate-Anschluss sowohl mit dem ersten Drain-Anschluss T1 als auch mit dem zweiten Drain-Anschluss T2 kurzgeschlossen. Beide Drain-Anschlüsse sind mit der Stromquelle Q2 verbunden, welche den gesamten Drain-Strom iS/2 liefert, während der Source-Anschluss T3 mit Masse GND verbunden ist. Analog zu dem Beispiel aus 14a ist die von der Spannungsquelle aus 14b gelieferte Gate-Spannung VG daher gleich der am Drain-Anschluss T1 vorhandenen Drain-Spannung. In beiden Schaltungen aus 14a und 14b können die Verdrahtungen zwischen dem Anschluss T1 und dem Anschluss VG durch eine Spannungsquelle ersetzt werden, welche das Gate-Potential etwas über das Potential am Drain-Anschluss T1 anhebt, um die vorhandene Spannungs-Aussteuerungsreserve besser zu nutzen.
  • 15 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Biasing-Schaltung für den MagFET aus 11. Im Wesentlichen ist die Schaltung aus 15 identisch mit der Schaltung aus 12 abgesehen davon, dass der Bulk-Anschluss B nicht mit einer definierten Bulk-Spannung VB (in Bezug auf Masse) vorgespannt (biased) wird, sondern vielmehr mit einer definierten Bulk-Source-Spannung VBS. Die zugehörige Spannungsquelle, welche die Spannung VBS liefert, ist daher zwischen den Bulk-Anschluss B und den Source-Anschluss T3 geschaltet. Daher bleibt die Bulk-Source-Spannung VBS konstant, obwohl die Source-Spannung in verschiedenen Betriebsmodi geringfügig variieren kann. 16 illustriert eine Modifikation der Biasing-Schaltung für den MagFET aus 15. Im Wesentlichen ist die Schaltung aus 16 identisch mit der Schaltung aus 15, abgesehen davon, dass der Gate-Anschluss G nicht mit einer definierten Gate-Spannung VG (in Bezug auf Masse) vorgespannt (biased) wird, sondern vielmehr mit einer definierten Gate-Source-Spannung VGS. Die zugehörige Spannungsquelle, welche die Spannung VGS liefert, ist daher zwischen den Gate-Anschluss G und den Source-Anschluss T3 geschaltet. Daher bleibt die Gate-Source-Spannung VGS konstant, obwohl die Source-Spannung in verschiedenen Betriebsmodi geringfügig variieren kann. Die folgende Tabelle illustriert, welche Spannungen in dem ersten, dem zweiten und dem dritten Betriebsmodus identisch sind und welche Spannungen aufgrund von Modiwechsel (die einen Wechsel der Schaltungskonfiguration verursachen) variieren.
    Beispiel aus Gate-Bulk-Spannung VGB Drain-Gate-Spannung VDG Bulk-Source-Spannung VBS Drain-Bulk-Spannung VDB
    Fig. 12 identisch tlw. identisch variabel variabel
    Fig. 13 identisch variabel identisch variabel
    Fig. 15 variabel tlw. identisch identisch variabel
    Fig. 16 identisch tlw. identisch identisch tlw. identisch
  • In obiger Tabelle bedeutet „tlw. identisch“ (teilweise identisch), dass lediglich einer der beiden Drain-Anschlüsse eine identische Source-Gate- oder Drain-Bulk-Spannung in zumindest zwei Betriebsmodi eines Spinning-Curent-Schemas hat.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen beschrieben und dargestellt wurde, können an den dargestellten Beispielen Änderungen und/oder Modifizierungen vorgenommen werden, ohne den Geist und den Umfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Insbesondere bezüglich der verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Einheiten, Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen, usw.) ausgeführt werden, sollen die Bezeichnungen (einschließlich des Bezugs auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponente zu beschreiben, auch jeder anderen Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d.h. die funktional gleichwertig ist), auch wenn sie der offenbarten Struktur, die in den hier dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung die Funktion ausführt, nicht strukturell gleichwertig ist.
  • Des Weiteren, obwohl ein bestimmtes Merkmal der Erfindung nur in Bezug auf eine von mehreren Implementierungen offenbart wurde, können solche Eigenschaften mit einer oder mehreren Eigenschaften der anderen Implementierungen kombiniert werden, falls wünschenswert oder vorteilhaft für eine beliebige oder bestimmte Anwendung. Des Weiteren, insoweit Bezeichnungen wie „einschließlich“, einschließen“, „aufweisend“, „hat“, „mit“ oder Variationen derselben entweder in der detaillierten Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, sollen solche Bezeichnungen einschließend verstanden werden, ähnlich der Bezeichnung „umfassen“.

Claims (19)

  1. Ein Verfahren zum Betrieb eines magnetfeldempfindlichen MOSFETs (MagFETs), der einen Gate-Anschluss (G), einen Bulk-Anschluss (B) und zumindest drei Lastanschlüsse (T1, T2, T3, T4; T1, T2, T3) aufweist, welche im Betrieb mit einer Biasing-Schaltung gekoppelt sind; das Verfahren umfasst: abwechselndes Verbinden der Biasing-Schaltung und des MagFETs in einer ersten und zumindest in einer zweiten Konfiguration, um den MagFET in einem ersten bzw. zumindest einem zweiten Betriebsmodus zu betreiben; Abgreifen einer Ausgangsspannung (Vout1, Vout2, Vout3) an dem MagFET in dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus; Kombinieren der am MagFET im ersten und zweiten Betriebsmodus abgegriffenen Ausgansspannungen; und durchgehendes Konstanthalten von zumindest einer der folgenden Spannungen während Wechsel der Betriebsmodi: Gate-Bulk-Spannung (VGB) zwischen dem Gate-Anschluss (G) und dem Bulk-Anschluss (B) und Drain-Gate-Spannung (VDG) zwischen einem Lastanschluss (T1, T2; T1, T2, T3), der als Drain-Anschluss fungiert, und dem Gate-Anschluss (G).
  2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in der ersten Konfiguration die Biasing-Schaltung einen Sensor-Strom (iS) an einem ersten (T1) der Lastanschlüsse des MagFET bereitstellt oder von diesem ableitet, und wobei in der zweiten Konfiguration die Biasing-Schaltung einen Sensor-Strom (iS) an einem zweiten (T2) der Lastanschlüsse des MagFET bereitstellt oder von diesem ableitet.
  3. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Sensorstrom (iS), der durch eine Kanalregion des MagFET fließt, in der ersten und der zweiten Konfiguration identisch ist.
  4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der MagFET vier Lastanschlüsse (T1, T2, T3, T4) aufweist, wobei im ersten Betriebsmodus die Biasing-Schaltung einen Sensorstrom (iS) erzeugt, der von einem ersten (T1) zu einem dritten (T3) der Lastanschlüsse (T1, T2, T2, T4) fließt, während die Ausgangsspannung (Vout1) zwischen einem zweiten (T2) und einem vierten (T4) der Lastanschlüsse (T1, T2, T2, T4) abgegriffen wird, und wobei im zweiten Betriebsmodus die Biasing-Schaltung einen Sensorstrom (iS) erzeugt, der von dem zweiten (T2) zu dem vierten (T4) der Lastanschlüsse (T1, T2, T2, T4) fließt, während die Ausgangsspannung (Vout2) zwischen dem ersten (T1) dem dritten (T3) der Lastanschlüsse (T1, T2, T2, T4) abgegriffen wird.
  5. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der MagFET drei Lastanschlüsse (T1, T2, T3) aufweist; wobei im ersten Betriebsmodus die Biasing-Schaltung einen Sensorstrom (iS) erzeugt, der durch einen ersten (T1) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt, wobei der Sensorstrom (iS) in einer Kanalregion des MagFET so aufgeteilt wird, dass ein erster Teil des Sensorstroms durch einen zweiten (T2) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt und der verbleibende Teil des Sensorstroms durch einen dritten (T3) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt, während die Ausgansspannung (Vout1) zwischen dem zweiten (T2) und dem dritten (T3) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) abgegriffen wird.
  6. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei in dem zweiten Betriebsmodus die Biasing-Schaltung einen Sensorstrom (iS) erzeugt, der durch den zweiten (T2) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt, wobei der Sensorstrom (iS) in der Kanalregion des MagFET so aufgeteilt wird, dass ein erster Teil des Sensorstroms durch den dritten (T3) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt und der verbleibende Teil des Sensorstroms durch den ersten (T1) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt, während die Ausgansspannung (Vout2) zwischen dem dritten (T3) und dem ersten (T1) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) abgegriffen wird.
  7. Ein Magnetfeldsensor, der aufweist: einen magnetfeldsensitiven MOSFET (MagFET) auf, der einen Gate-Anschluss (G), einen Bulk-Anschluss (B) und zumindest drei Lastanschlüsse (T1, T2, T3, T4; T1, T2, T3) aufweist; eine Biasing-Schaltung hat, die dazu ausgebildet ist, mit dem MagFET in einer ersten und zumindest in einer zweiten Konfiguration verbunden zu werden, um den MagFET in einem ersten bzw. zumindest einem zweiten Betriebsmodus zu betreiben, wobei die Biasing-Schaltung elektronische Schalter zum Umkonfigurieren der Biasing-Schaltung beim Wechsel von einem der Betriebsmodi ein einen anderen Betriebsmodus aufweist; eine Auswerteschaltung, die dazu ausgebildet ist, die im ersten und zweiten Betriebsmodus am MagFET abgegriffenen Ausgangsspannungen (Vout1, Vout2) zu kombinieren, um einen Messwert zu erhalten, der das Magnetfeld repräsentiert, wobei die Biasing-Schaltung dazu ausgebildet ist, durchgehend während des ersten und des zweiten Betriebsmodus einen konstanten Spannungswert für zumindest eine der folgenden Spannungen zu liefern: Gate-Bulk-Spannung (VGB) zwischen dem Gate-Anschluss (G) und dem Bulk-Anschluss (B) und Drain-Gate Spannung (VDG) zwischen einem Lastanschluss (T1, T2; T1, T2, T3), der als Drain-Anschluss fungiert, und dem Gate-Anschluss (G).
  8. Der Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 7, wobei in der ersten Konfiguration die Biasing-Schaltung einen Sensor-Strom (iS) an einem ersten (T1) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3, T4) des MagFET bereitstellt oder von diesem ableitet, und wobei in der zweiten Konfiguration die Biasing-Schaltung einen Sensor-Strom (iS) an einem zweiten (T2) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3, T4) des MagFET bereitstellt oder von diesem ableitet.
  9. Der Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 8, wobei die Biasing-Schaltung dazu ausgebildet ist, den Sensorstrom (iS) zu erzeugen, der durch eine Kanalregion des MagFET fließt, wobei der Sensorstrom (iS) in dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus identisch ist.
  10. Der Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 7, wobei der MagFET vier Lastanschlüsse (T1, T2, T3, T4) aufweist, wobei die Biasing-Schaltung dazu ausgebildet ist, im ersten Betriebsmodus einen Sensorstrom (iS) zu erzeugen, der von einem ersten (T1) zu einem dritten (T1) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3, T4) fließt, während die Ausgangsspannung (Vout1) zwischen einem zweiten (T2) und einem vierten (T4) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3, T4) abgegriffen wird, und wobei die Biasing-Schaltung dazu ausgebildet ist, im zweiten Betriebsmodus einen Sensorstrom (iS) zu erzeugen, der von dem zweiten (T2) zu dem vierten (T4) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3, T4) fließt, während die Ausgangsspannung (Vout2) zwischen dem ersten (T1) dem dritten (T3) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3, T4) abgegriffen wird.
  11. Der Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 7, wobei der MagFET drei Lastanschlüsse (T1, T2, T3) aufweist; wobei die Biasing-Schaltung dazu ausgebildet ist, im ersten Betriebsmodus einen Sensorstrom (iS) zu erzeugen, der durch einen ersten (T1) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt, wobei der Sensorstrom (iS) in einer Kanalregion des MagFET so aufgeteilt wird, dass ein erster Teil des Sensorstroms durch einen zweiten (T2) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt und der verbleibende Teil des Sensorstroms durch einen dritten (T3) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt, während die Ausgansspannung (Vout1) zwischen dem zweiten (T2) und dem dritten (T3) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) abgegriffen wird.
  12. Der Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 11, wobei die Biasing-Schaltung dazu ausgebildet ist, in dem zweiten Betriebsmodus den Sensorstrom (iS) so zu erzeugen, dass er durch den zweiten (T2) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt, wobei der Sensorstrom (iS) in der Kanalregion des MagFET so aufgeteilt wird, dass ein erster Teil des Sensorstroms durch den dritten (T3) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt und der verbleibende Teil des Sensorstroms durch den ersten (T1) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) fließt, während die Ausgansspannung (Vout2) zwischen dem dritten (T3) und dem ersten (T1) der Lastanschlüsse (T1, T2, T3) abgegriffen wird.
  13. Der Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Biasing-Schaltung zumindest eine Stromquelle (Q; Q1, Q2; Q2a, Q2b) aufweist.
  14. Ein magnetfeldsensitiver MOSFET (MagFET), der aufweist: einen Halbleiterkörper (101); eine erste Wannenregion (102), die in dem Halbleiterkörper (101) angeordnet und mit Dotierstoffen eines ersten Dotierstofftyps dotiert ist; eine Anzahl N von Kontaktregionen (103, 104, 105, 106), die in der ersten Wannenregion (102) angeordnet und mit Dotierstoffen eines zweiten, zum ersten Dotierstofftyp komplementären Dotierstofftyps dotiert sind, wobei N größer oder gleich drei ist; eine Gate-Elektrode (120), welche die erste Wannenregion (102) zwischen den Kontaktregionen (103, 104, 105, 106) bedeckt, wobei die Gate-Elektrode (120) von der ersten Wannenregion (102) mittels einer Isolierschicht (130) getrennt und dazu ausgebildet, in der ersten Wannenregion (102) zwischen den Kontaktregionen (103, 105; 104, 106) eine Ladungsträgerdichte abhängig von der an der Gate-Elektrode (120) anliegenden Spannung (VG; VGS; VGB) zu steuern; wobei die erste Wannenregion (102) ein Symmetriezentrum hat, und die Kontaktregionen (103, 104, 105, 106) rotationssymmetrisch in Bezug auf das Symmetriezentrum mit einer Rotationssymmetrie der Ordnung N angeordnet sind.
  15. Der MagFET gemäß Anspruch 14, wobei die Kontaktregionen (103, 104, 105, 106) dazu ausgebildet sind, einen ohmschen Kontakt zu einer Kanalregion bereitzustellen, die in der ersten Wannenregion (102) entlang der Oberfläche des Halbleiterkörpers (101) auftritt, wenn in der Gate-Elektrode (120) ein ausreichendes Gate-Potential generiert wird.
  16. Der MagFET gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die erste Wannenregion (102) ein Layout hat, welches im Wesentlichen sechseckig oder achteckig ist.
  17. Der MagFET gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die erste Wannenregion (102) ein Layout hat, welches im Wesentlichen sechseckig ist und N gleich drei ist, oder die erste Wannenregion (102) ein Layout hat, welches im Wesentlichen achteckig ist und N gleich vier ist.
  18. Der MagFET gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Halbleiterkörper (101) mit Dotierstoffen des zweien Dotierstofftyps dotiert ist.
  19. Der MagFET gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die N Kontaktregionen (103, 104, 105, 106) auf dem oder benachbart zu dem Umfang der ersten Wannenregion (102) angeordnet sind.
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