DE10313948A1

DE10313948A1 - Hallelement, Verfahren zum Betreiben eines Hallelements und Verfahren zum Herstellen eines Hallelements

Info

Publication number: DE10313948A1
Application number: DE10313948A
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: DE10313948B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Hallelement, welches einen hallempfindlichen ersten Halbleiterbereich (702) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine Wanne (104) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, in welche der hallempfindliche erste Halbleiterbereich (702) eingebettet ist, und einen zweiten Halbleiterbereich (102) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, in welchen die Wanne (104) eingebettet ist, aufweist. Ferner beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Hallelementes und ein Verfahren zum Herstellen eines Hallelementes.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Hallelement und insbesondere auf ein Hallelement, das in Halbleitertechnik realisiert ist.

Ein Hallelement wird in der integrierten Schaltungstechnik durch einen leitfähigen Bereich 702 in einem Substrat 700 gebildet, wie in 7A dargestellt ist. Als Substrat 700 wird hierbei zumeist p-dotiertes einkristallines Silizium verwendet, in dem ein Hallempfindlicher Bereich 702 – nachfolgend als Hallsonde bezeichnet – eingebettet ist, welcher zumeist n-dotiert ist. Die Hallsonde 702 kann hierbei beispielsweise durch eine Diffusion oder durch eine Ionenimplantation in das Substrat 700 implantiert werden. Weiterhin ist die Hallsonde 702 mit mindestens zwei primärseitigen Kontakten – dem positiven Hallspannungsanschluß Hhi 704, der auf dem Potential V(Hhi) liegt und dem negativen Hallspannungsanschluß Hlo 706, der auf dem Potential V(Hlo) liegt – versehen, zwischen denen durch eine Potentialdifferenz V(Hhi) – V(Hlo) die Spannung U_H abfällt, welche einen Stromfluß I_H erzeugt.

Ferner besitzt die Hallsonde 702 einen ersten sekundärseitigen Kontakt 708a, welcher auf einem Potential V(U₃) liegt, und einen zweiten sekundärseitigen Kontakt 708b, welcher auf einem Potential V(U₂) liegt. Zwischen dem ersten sekundärseitigen Kontakt 708a und dem zweiten sekundärseitigen Kontakt 708b fällt die Potentialdifferenz V(U₃) – V(U₂) – im weiteren kurz mit Hallspannung U_h bezeichnet – ab, die an den sekundärseitigen Kontakten 708a, 708b abgreifbar ist. Im Idealfall ist die Hallspannung Uh proportional zum Stromfluß I_H und zu einer Komponente des Magnetfeldes B, das auf die bewegten Ladungsträger im Inneren der Hallsonde 702 wirksam ist: Uh = Si·IH·B.

S_i wird als strombezogene magnetische Empfindlichkeit der Hallsonde 702 bezeichnet. Sie hängt insbesondere von der Geometrie und den Materialparametern der Hallsonde 702 ab.

Darüber hinaus läßt sich die Hallspannung U_h aber auch auf die Spannung U_H an der Primärseite der Hallsonde 702 beziehen, wodurch man die spannungsbezogene magnetische Empfindlichkeit S_u der Hallsonde 702 erhält: Uh = Su·UH·B.

Beide Empfindlichkeiten (S_i und S_u) hängen über den primärseitigen Innenwiderstand der Hallsonde 702 R_in = U_H/I_H zusammen: Si = Su·Rin.

Man unterscheidet zwei Betriebsmoden der Hallsonde 702. Bei Spannungssteuerung legt man primärseitig eine Spannung U_H an, bei Stromsteuerung prägt man primärseitig einen Strom I_H ein.

Für die am weitesten verbreitete Art von Hallsonden – nämlich jene, bei der die Hallsonde die Form eines dünnen Plättchens der Dicke t aufweist – gilt: Si = r·G/(q·n·t)(r = Scatter-Faktor, q = Elementarladung, n = Ladungsträgerdichte). G ist ein geometrieabhängiger Einflußfaktor, der die Form der Hallsonde 702 (z. B. kreisrund, achteckig, quadratisch, rechteckig, kreuzförmig) sowie die Form und Größe der Kontakte 704, 706, 708a, 708b berücksichtigt (z. B. großflächig entlang des Umfangs oder aber nur punktförmig am Umfang). Die Ladungsträgerdichte wird beispielsweise durch eine Fremdstoffdotierung auf einen gewünschten Wert eingestellt (bei siliziumbasierten n-dotierten Hallsonden zumeist in der Größenordnung von 10¹⁵ bis 10¹⁷ pro cm^–3) . In diesem speziellen Fall ist die Hallspannung Uh proportional zu jener Komponente des Magnetfeldes B, die senkrecht auf die Stromhauptflußrichtung und senkrecht auf das Plättchen steht.

Wird das Hallelement derart realisiert, indem eine n-dotierte Hallsonde 702 in das p-dotierte Substrat 700 implantiert wird, findet der Stromfluß I_H nur in dieser Hallsonde 702 statt, die vom Substrat 700 elektrisch isoliert ist. Die elektrische Isolation zwischen dem Substrat 700 und der Hallsonde 702 erfolgt derart, indem das p-dotierte Substrat 700 an ein elektrisches Potential gelegt wird, das niedriger oder zumindest nicht höher ist, als das niedrigste Potential innerhalb der Hallsonde 702. Dies wird herkömmlicherweise dadurch sichergestellt, daß das Substrat 700 an das niedrigste Versorgungsspannungspotential geschaltet wird, das dem integrierten Schaltkreis IC von extern zugeführt wird. Nachfolgend wird dieses niedrigste Versorgungsspannungspotential mit GND bezeichnet.

Die Hallsonde 702 hat herkömmlicherweise eine geometrische Dicke zwischen 1 μm und 10 μm, wogegen die lateralen Ausmaße der Hallsonde 702 zumeist größer sind (größenordnungsmäßig etwa 100 μm). Die Hallsonde 702 stellt somit in guter Näherung eine dünne Scheibe bzw. ein feines Plättchen dar, d. h. t ist sehr klein, so daß Si groß ist. Ferner ist zu beachten, daß sich im genannten Plättchen, welches durch die Hallsonde 702 gebildet wird, eine ausgeprägte Potentialverteilung einstellt. Zur Stromzuführung befindet sich hierzu der positive Hallanschlußkontakt 704 auf maximalem Potential V(Hhi), während sich der negative Hallanschlußkontakt 706 auf dem minimalen Potential V(Hlo) befindet. Bei verschwindendem Magnetfeld B befinden sich der erste sekundärseitige Kontakt 708a und der zweite sekundärseitige Kontakt 708b idealerweise auf gleichem Potential, das zugleich auch in den meisten praktischen Fällen ca. in der Mitte zwischen dem maximalen Potential V(Hhi) und dem minimalen Potential V(Hlo) liegt. Liegt ein Magnetfeld B an, so verschieben sich die Potentiallinien geringfügig, so daß sich, je nach Magnetfeldstärke B eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten sekundärseitigen Kontakt 708a und dem zweiten sekundärseitigen Kontakt 708b ausbildet (zumeist kleiner als 1 mV).

Dadurch, daß das Substrat 700 auf dem niedrigste Versorgungsspannungspotential GND liegt, ist der pn-Übergang zwischen der n-dotierten Hallsonde 702 und dem p-dotierten Substrat 700 gesperrt. Es bildet sich somit eine Raumladungszone, die in 7B und 7C bei 710 gezeigt ist zu beiden Seiten der geometrischen Grenze 712 zwischen der Hallsonde 702 und dem Substrat 700 aus, deren Dicke t₁ + t₂ (Raumladungszone ragt t₁ ins Innere des Hallbereichs, Raumladungszone ragt t₂ ins umgebende Substrat hinein) mit der angelegten Sperrspannung zwischen der Hallsonde 702 und dem Substrat 700 steigt. In dieser Raumladungszone 710 befinden sich keine beweglichen Ladungsträger, so daß sich die Dicke der Hallsonde 702 effektiv um die Dicke der Raumladungszone 710 reduziert: teffektiv = t – t1.

Hierdurch erhöht sich jedoch auch die strombezogene Empfindlichkeit Si der Hallsonde 702 und auch die Hallspannung Uh. Dieser Mechanismus wird in der Literatur als Junction-Field-Effekt (JFE) bezeichnet.

In der Praxis gestalten sich diese Verhältnisse jedoch komplizierter, da die Sperrspannung zwischen dem Substrat 700 und der Hallsonde 702 örtlich variiert. Sie ist insbesondere am größten nahe des positiven Hallspannungsanschlusses 704 und nahe des negativen Hallspannungsanschlusses 706 am geringsten. Hierdurch variiert die Dicke t₁ der Raumladungszone 710 und somit die Dicke der Hallsonde 702.

Setzt man in erster Näherung die effektive Dicke t_effektiv der Hallsonde 702 als lineare Funktion der y-Koordinate, wie in 7B und 7C gezeigt, so kann der Einfluß des JFE auf die strombezogene Empfindlichkeit S_i durch eine Common-Mode-Regelung, wie sie in 8 gezeigt ist, eliminiert werden. Diese Regelung besteht im gezeigten Beispiel aus einem Operationsverstärker 800, der Hallsonde 702, einem Addierglied 804 und einer Common-Mode-Referenzspannungsquelle 806, welche auf eine Referenzspannung 2·U_CM eingestellt ist, wobei sich die Common-Mode-Spannung U_CM gemäß UCM = (U2 + U3)/2ergibt, wobei die Spannung U₂ durch die Potentialdifferenz zwischen dem ersten sekundärseitigen Kontake 708a und dem niedrigsten Versorgungspotenial GND und die Spannung U₃ durch die Potentialdifferenz zwischen dem zweiten sekundärseitigen Kontake 708b und dem niedrigsten Versorgungspotenial GND gebildet ist. Die Aufgabe der Common-Mode-Regelung besteht darin, die Common-Mode-Spannung U_CM der Hallsonde 702 konstant zu halten, d. h. einerseits unabhängig vom Magnetfeld B und somit unabhängig von U_h = U₂ – U₃, andererseits unabhängig von I_H. Dadurch wird erreicht, daß die Sperrspannung zwischen dem Referenzpunkt P0 714 und dem Substrat 700 konstant bleibt. Zugleich kann sich aber die Sperrspannung zwischen dem negativen Hallspannungsanschluß 706 und dem Substrat 700 ändern. Beispielsweise wird sie kleiner, wenn I_H größer wird, denn dadurch steigt der Spannungsabfall zwischen dem positiven Hallspannungsanschluß 704 und dem negativen Hallspannungsanschluß 706. Zugleich zeigt jedoch die Sperrspannung zwischen dem positiven Hallspannungs-anschluß 704 und dem Substrat 700 einen gegenläufigen Effekt, indem sie steigt. In der linearisierten Näherung steigt damit die effektive Dicke t_effektiv der Hallsonde 702 am negativen Hallspannungsanschluß 706, sinkt jedoch um das gleiche Maß am positiven Hallspannungsanschluß 704 und bleibt im Referenzpunkt P0 714 konstant. Im Mittel über die gesamte laterale Ausdehnung der Hallsonde 702 bleibt die effektive Dicke t_effektiv also konstant, so daß sich auch die strombezogene Empfindlichkeit S_i nicht ändert und die Gesamtempfindlichkeit S = S_i·I_H linear proportional zum Strom durch die Primärseite der Hallsonde 702 ist.

Dieses Verhalten ist für den Betrieb des Hallelements im Gesamtsystem eines hochintegrierten anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) vorteilhaft, wie nachfolgend näher ausgeführt wird.

Zunächst sei beispielsweise ein ASIC betrachtet, dessen Ausgangsspannungssignal U_out ratiometrisch sein soll, d. h. es soll linear proportional zur Betriebsspannung VDD des ASIC sein: U_out = k·VDD, wobei k unabhängig von VDD ist. Wenn man beispielsweise die Betriebsspannung VDD direkt an die Primärseite der Hallsonde 702 anlegt, so wird die Hallausgangsspannung U_h nicht ratiometrisch sein, denn eine Erhöhung der Betriebsspannung VDD um den Faktor α erhöht zunächst den Strom durch die Primärseite der Hallsonde 702 um denselben Faktor. Zugleich ändert sich aber auch die Common-Mode-Spannung UCM = (U2 + U3)/2 = VDD/2der Hallsonde 702 um den Faktor α, so daß sich auch die effektive Dicke t_effektiv der Hallsonde 702 und somit die strombezogene Empfindlichkeit S_i ändern. Letztendlich ändert sich also die Hallausgangsspannung U_h der Hallsonde 702 zufolge der Änderung von I_H und von S_i. Die Hallausgangsspannung U_h der Hallsonde 702 wäre jedoch nur dann ratiometrisch, wenn S_i konstant bliebe und sich nur I_H proportional zu VDD ändern würde, was sich jedoch durch die beschriebene Common-Mode-Regelung realisieren läßt.

Nachteilig wirkt sich hierbei jedoch aus, daß das beschriebene System noch keine perfekte Ratiometrie aufweist, denn der Strom I_H durch die primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704, 706 der Hallsonde 702 ändert sich nicht exakt um denselben Faktor wie die Spannung U_H, welche an den primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704, 706 angelegt ist. Der Grund für ein derartiges Verhalten liegt darin, daß der Innenwiderstand R_i = U_H/I_H der Hallsonde 702 ebenfalls von der Spannung U_H abhängt, da diese die Dicke t der Hallsonde 702 beeinflußt. Insbesondere wird der Innenwiderstand R_i mit steigender Spannung U_H größer, so daß im eben dargestellten System die Hallausgangsspannung U_h sublinear mit U_H ansteigt, weil S_i unabhängig von U_H ist und I_H weniger als linear mit der Betriebsspannung VDD des ASIC ansteigt, da R_i mit steigende Betriebsspannung VDD des ASIC fällt. Das System läßt sich jedoch perfekt ratiometrisch ausgestalten, indem nicht U_H = VDD als Spannung zwischen den primärseitigen Hallanschlüssen 704, 706 angelegt wird, sondern der Strom I_H durch die Primärseite der Hallsonde 702 mittels einer Schaltung so gestaltet, daß I_H = k'·VDD gilt. Die Hallsonde 702 wird somit nicht spannungsgesteuert, sondern stromgesteuert betrieben. Die Common-Mode-Regelung einschließlich der Stromquelle 808, welche den Strom I_H einprägt, ist in 8 gezeigt. Die Hilfsschaltung, durch die die ratiometrische Stromquelle 808 mit I_H = k'·VDD gebildet ist, ist dem Fachmann geläufig und braucht daher nicht angegeben zu werden.

Wie vorausgehend dargestellt, ändert sich somit Si als auch Ri mit der an den primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704, 706 angelegten Spannung. Ursächlich hierfür ist die Raumladungszone 710, deren Dicke t₁ durch die Sperrspannung zwischen der Hallsonde 702 und dem Potential des Substrats 700 – dem Potential niedrigsten Versorgungsspannungsanschlusses GND – definiert ist. Daher könnte durch die folgende qualitative Überlegung geschlossen werden, daß sich bei Spannungssteuerung der Hallsonde 702 beide Effekte aufheben und die Hallausgangspannung U_h in einfacher Weise perfekt ratiometrisch sei.

Wenn man U_H = VDD als Spannung zwischen den primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704, 706 an die Hallsonde 702 anlegt, so erhöht sich sowohl S_i als auch R_i mit VDD. Würde sich S_i um den gleichen Faktor erhöhen wie R_i, so wäre U_h perfekt ratiometrisch, da sich dieser Faktor dann im Zähler und Nenner des folgenden Ausdrucks herauskürzt: Uh = B·Si·IH = B·Si·UH/Ri.

Die Praxis zeigt aber, daß S_i und R_i zwar ähnliche Spannungsabhängigkeiten, jedoch für hochgenaue Systeme nicht hinreichend identische Spannungsabhängigkeiten aufweisen.

Als zweites Beispiel sei ein ASIC betrachtet, der bei Über-/Unterschreiten eines gewissen Magnetfeldes B einen Schalter betätigen soll, wobei diese Schaltschwelle allerdings unabhängig von der Betriebsspannung VDD sein soll. Dazu ließe sich beispielsweise die Hallsonde 702 spannungsgesteuert mit einer Spannung U_H = VDD betreiben, so daß die resultierende Hallausgangsspannung U_h näherungsweise proportional zur Betriebsspannung VDD ist. Die Hallausgangsspannung U_h wird dann mittels eines Komparators mit Schaltschwellen verglichen, die wiederum näherungsweise proportional zur Betriebsspannung VDD sind, so daß sich die Betriebsspannungsabhängigkeit herauskürzt und das Gesamtsystem bei Magnetfeldern B unabhängig von der Betriebsspannung VDD schaltet. Dieses System funktioniert allerdings nur dann genau, wenn S_i unabhängig von der Betriebsspannung VDD ist.

In herkömmlichen Systemen wurde die beschriebene Problematik dadurch gelöst, daß entweder eine gewisse Betriebsspannungsabhängigkeit der Schaltschwellen bzw. der magnetischen Empfindlichkeit des Systems in Kauf genommen wurde oder eine Common-Mode-Regelung eingesetzt wurde, wie sie vorstehend beschrieben wurde.

Nachteilig wirkt sich bei der Verwendung einer Common-Mode-Regelung allerdings aus, daß die Common-Mode-Spannung U_CM konstant gehalten werden muß, obwohl sich die Betriebsspannung VDD unter Umständen gravierend ändert. Dadurch muß bei höheren Betriebsspannungen VDD die Hallsonde 702 mit kleinen Spannungen an den primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704, 706 betrieben werden, wodurch ein großer Teil des Aussteuerbereichs der Hallsonde 702 nicht ausgenutzt wird und die Hallsonde 702 hinsichtlich ihrer Rausch- und Auflösungscharakteristik suboptimal betrieben wird.

Anhand eines Zahlenbeispiels soll dieses Verhalten verdeutlicht werden. Gefordert sei, daß der ASIC, welcher die Hallsonde 702 umfaßt, in einem Betriebsspannungsbereich 2,5 V < VDD < 24 V betrieben wird. Um das beschriebene System unter Einsatz der Common-Mode-Regelung verwenden zu können, muß die Common-Mode-Spannung U_CM = VDD_min/2 = 1,25 V (oder kleiner) gesetzt werden. Auch bei einer Betriebsspannung VDD = 24 V muß die Common-Mode-Spannung U_CM = 1,25 V gesetzt werden, so daß an der Hallsonde 702 an den primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704, 706 insgesamt maximal nur 2,5 V abfallen. Dadurch, daß sich die Common-Mode-Spannung U_CM an der unteren Grenze des Betriebsspannungsbereichs orientiert, wird bei höheren Betriebsspannungen der größere, zur Verfügung stehende Aussteuerbereich nicht ausgenutzt. Bei einer Betriebsspannung VDD = 24 V liegt an den primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704, 706 der Hallsonde 702 eine Spannung von 2,5 V an, obwohl theoretisch das 9,6-fache (= 24 Volt) angelegt werden könnte. Somit liefert die Hallsonde 702 bei einer Betriebsspannung VDD = 24 V aufgrund der Common-Mode-Regelung nur knapp ein Zehntel dessen, was sie ohne diese Regelung liefern könnte. Hierdurch sinkt die Auflösung, d. h. es steigt das effektive Rauschen, der Hallsonde 702 um einen Faktor von 9,6. Die Auslegung herkömmlicher Hallsonden 702 unter Einsatz einer Common-Mode-Regelung zur Erzielung hochgenauer magnetischer Schaltschwellen bzw. hochgenauer magne tischer Empfindlichkeit geht somit zu Lasten der Auflösung der Hallsonde 702.

Allgemein gesagt ist die in 7A gezeigte Struktur somit dahingehend nachteilig, daß sich mit veränderter Steuerspannung gleichzeitig die Raumladungszone 710 zwischen der Hallsonde 702 und dem Substrat 700 gravierend ändert. Dies hat zur Folge, daß die Regelung zur Linearisierung nicht über den gesamten Aussteuerbereich wirkt, daß also entweder auf die Regelung zur Linearisierung zu Gunsten eines großen Aussteuerbereiches verzichtet werden muß, oder daß zu Gunsten der Regelung zur Linearisierung auf einen großen Aussteuerbereich verzichtet werden muß. Die in den 7A bis 7C gezeigte Hallsonde 702 ist somit insbesondere für Einsatzgebiete mit unterschiedlichen Anforderungen stark eingeschränkt und somit unflexibel.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein flexibles Hallelementkonzept zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Hallelement gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Hallelements gemäß Anspruch 15, ein Verfahren zum Herstellen eines Hallelements gemäß Anspruch 17 oder durch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 18 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Hallelement, das einen ersten Halbleiterbereich, der eine Hallempfindlichkeit und einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, eine Wanne mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, wobei der erste Halbleiterbereich in die Wanne eingebettet ist, und einen zweiten Halbleiterbereich mit dem ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, in dem die Wanne eingebettet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein flexibles Hallelement dadurch erreicht wird, daß in den zweiten Halbleiterbereich, welcher beispielsweise durch das Substrat gebildet wird, eine Wanne eingebettet ist, deren Leitfähigkeitstyp sich vom Leitfähigkeitstyp des zweiten Halbleiterbereichs unterscheidet. In diese Wanne ist ein Hallempfindlicher erster Halbleiterbereich, d. h. die Hallsonde, eingebettet, dessen Leitfähigkeitstyp sich vom Leitfähigkeitstyp der Wanne unterscheidet. Dadurch ist es möglich, unabhängig von dem Substratpotential ein beliebiges Potential in die Wanne einzuprägen. An dieser Stelle sei angemerkt, daß das Steuerpotential, das an die Hallsonde angelegt wird, typischerweise von außen diktiert ist. Es steht also zur freien Raumladungszonenmanipulation in der Hallsonde nicht zur Verfügung. Erfindungsgemäß kann eine nahezu beliebige Raumladungszonenmanipulation mit dem nunmehr frei wählbaren Wannenpotential erreicht werden, so daß das Hallelement an verschiedene Betriebsumgebungen flexibel anpaßbar ist.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Ansatzes besteht in anderen Worten ausgedrückt darin, daß durch die Ausbildung einer Wanne zwischen der Hallsonde und dem Substrat ein zusätzlicher Freiheitsgrad des Systems geschaffen wird, der in einem frei wählbaren Wannenpotential besteht.

Durch dieses frei wählbare Wannenpotential läßt sich die Raumladungszone zwischen der Wanne und der Hallsonde nahezu beliebig manipulieren, wodurch insbesondere die Abhängigkeit der Dicke der Raumladungszone vom Potential an der Primärseite der Hallsonde unabhängig wird, da die Dicke der Raumladungszone erfindungsgemäß lediglich von der Potentialdifferenz zwischen der Hallsonde und der Wanne abhängt.

Hierdurch wird es möglich, den gesamten Aussteuerbereich der Hallsonde innerhalb eines Betriebsspannungsbereichs der Hallsonde durch das Anlegen einer definierten Potentialdifferenz zwischen der Hallsonde und der Wanne auszunutzen. Hierdurch wird eine verbesserte Rauschcharakteristik der Hallsonde bei hoher Aussteuerung und/oder Einsatz einer Common-Mode- Regelung erreicht. Für strom- oder spannungskritische Anwendungen kann die Hallsonde jedoch genauso mit z. B. einer Common-Mode-Regelung und einer niedrigen Aussteuerspannung betrieben werden.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Hallelements, in der das Wannenpotential im wesentlichen dem Common-Mode-Potential der Hallsonde nachgeführt wird, so daß die Potentialdifferenz zwischen dem Wannenpotential und dem Common-Mode-Potential konstant bezüglich der Betriebsspannung VDD ist und wobei die Polarität dieser Potentialdifferenz derart gewählt ist, daß der Übergang bestehend aus der Hallsonde und der Wanne gesperrt ist. Ein derartiges Verfahren bietet wieder den beschriebenen Flexibilitätvorteil, so daß nämlich der gesamte Aussteuerbereich der Hallsonde für unterschiedliche Betriebsspannungen VDD der Hallsonde ausgenutzt und somit eine verbesserte Rauschcharakteristik der Hallsonde erreicht werden kann.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Hallelements, bei dem zuerst eine Wanne mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp in einem zweiten Halbleiterbereich, beispielsweise einem Substrat, eingebettet ist, wobei sich der Leitfähigkeitstyp der Wanne von dem Leitfähigkeitstyp des zweiten Halbleiterbereichs unterscheidet. Nachfolgend wird eine Hallsonde in die Wanne eingebettet, wobei sich der Leitfähigkeitstyp der Hallsonde von dem Leitfähigkeitstyp der Wanne unterscheidet. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch die Ausbildung einer Wanne zwischen der Hallsonde und dem zweiten Halbleiterbereich, welcher beispielsweise durch das Substrat gebildet wird, an die Wanne ein frei wählbares Wannenpotential angelegt werden kann und durch die Potentialdifferenz zwischen der Hallsonde und der Wanne die Dicke der Raumladungszone zwischen der Hallsonde und der Wanne derart beeinflußt wird, daß sie von der Betriebsspannung VDD der Hallsonde unabhängig wird. Ein derartiges Verfahren bietet den Vorteil, dass hierdurch ein Hallelement geschaffen wird, bei welchem sich der Aussteuerbereich der Hallsonde vollständig ausnutzen läßt, wodurch eine verbesserte Rauschcharakteristik der Hallsonde erreicht wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Hallelements in Schnittdarstellung;
2 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hallelements mit Spannungssteuerung;
3 eine Tabelle, in welcher resultierende Potentialwerte in Abhängigkeit von der Betriebsspannung VDD gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hallelements aufgetragen sind;
4 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hallelements mit Stromsteuerung;
5 eine Tabelle, in welcher resultierende Potentialwerte in Abhängigkeit von der Betriebsspannung VDD gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hallelements aufgetragen sind;
6A eine Schnittdarstellung einer Struktur zur Abdeckung des erfindungsgemäßen Hallelements in einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
6B eine Schnittdarstellung einer Struktur zur Ab deckung des erfindungsgemäßen Hallelements in einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
7A den Aufbau eines Hallelements in Aufrissdarstellung;
7B den Aufbau eines Hallelements in Grundrissdarstellung;
7C den Aufbau eines Hallelements in Seitenrissdarstellung;
8 einen Common-Mode-Regelkreis zur Linearisierung eines Hallelementes
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
Obwohl prinzipiell die Erfindung für n- wie auch für p-dotierte Hallsonden 702 funktioniert, wird im folgenden aus Gründen der einfacheren Erklärung nur noch ein System mit n-dotierter Hallsonde 702 beschrieben.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Hallelement in Schnittdarstellung, wobei die n-dotierte Hallsonde 702, im Gegensatz zum Stand der Technik, von einer zusätzlichen p-dotierten Wanne 104 umgeben ist. Diese p-dotierte Wanne 104 liegt in einem zweiten Halbleiterbereich 102 (z.B. einer n-Epitaxieschicht), die auf das p-dotierte Substrat 700 aufgewachsen ist. Somit ergibt sich beispielsweise eine Schichtfolge, wie sie aus BiCMOS-Prozessen für PMOS-Transistoren üblich ist, wobei in diesem Fall anstelle der n-dotierten Hallsonde 702 eine n-CMOS-Schicht, in der eine Ladungsträgerinversion stattfindet, liegt. Die Hallsonde 702 wird mittels dem positiven Hallspannungsanschluß 704 und dem negativen Hallspannungsanschluß 706 mit elektrischer Leistung versorgt, wobei das am positiven Hallspannungsanschluß 704 angelegte Potential größer ist als das am negativen Hallspannungsanschluß 706 angelegte Potential. Die beiden sekundärseitigen Kontakte 708a, 708b stellen die Kontakte für die Hallausgangsspannung U_h dar, die in 1 Schnittzeichnung einander überdecken.
Die p-dotierte Wanne 104 kann nun mit einem flexibel wählbaren Wannenpotential beaufschlagt werden. Es wird bevorzugt, daß dieses Wannenpotential kleiner als das niedrigste Potential in der Hallsonde 702 ist, also kleiner als das Potential, welches am negativen Hallspannungsanschluß 706 angelegt ist, um den Übergang 106 zwischen der Hallsonde 702 und der Wanne 104 zu sperren. Ferner wird es bevorzugt, dass dieses Potential kleiner als das Potential des zweiten Halbleiterbereich 102 ist, um den Übergang 106 zwischen der Wanne 104 und dem zweiten Halbleiterbereich 102 zu sperren. Insbesondere wird es also bevorzugt, die p-dotierte Wanne 104 an ein gegenüber dem niedrigsten Versorgungspotential GND negatives Potential zu legen.
Die beiden sekundärseitigen Kontakte 708a, 708b liegen bei Abwesenheit eines Magnetfeldes B auf demselben Potential, das zugleich ca. in der Mitte zwischen dem Potential des positiven Hallspannungsanschlusses 704 und dem Potential des negativen Hallspannungsanschlusses 706 liegt. Es gilt somit: V(U₂) = V(U₃) ist ungefähr (V(Hhi) + V(Hlo))/2. Bei Anwesenheit eines Magnetfeldes B liegt eine Hallausgangsspannung U_h zwischen dem ersten sekundärseitigen Kontakt 708a und dem zweiten sekundärseitigen Kontakt 708b an, die als Hallausgangsspannung Uh bezeichnet wird: V(U₂) – V(U₃) = U_h. Unabhängig vom Magnetfeld B kann ein Common-Mode-Potential V_CM= (V(U₂) + V(U₃))/2 definiert werden, wobei die Potentialdifferenz zwischen den Potentialen V_CM und GND die Common-Mode-Spannung U_CM definiert, welche für die Steuerung der Hallsonde (702) maßgeblich ist. Die Potentialdifferenz zwischen dem Common- Mode-Potential V_CM und dem Wannenpotential V(pw) der p-dotierten Wanne 104 steuert die mittlere Dicke t₁ der Raumladungszone des Übergangs 1 106: t₁ = t₁ (V_CM – V(pw)). Durch diese Potentialdifferenz wird die strombezogene Empfindlichkeit der Hallsonde 702 S_i = r/(q·n·(t – t₁)) beeinflußt, wobei gilt: r = Scatter-Faktor, q = Elementarladung, n = Ladungsträgerdichte, t = Dicke der Hallsonde 702.
2 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei das erfindungsgemäße Hallelement spannungsgesteuert betrieben wird. Der negative Hallspannungsanschluß 706 wird hierbei auf das Potential GND 202 gelegt, während der positive Hallspannungsanschluß 704 mit der Betriebsspannung VDD 204 des Hallelementes verbunden wird. Die hierdurch resultierende Hallausgangsspannung U_h wird zwischen den sekundärseitigen Kontakten 708a, 708b abgegriffen. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Hallelement einen Wannenpotentialanschluß 206, an welchem ein definiertes Wannenpotential V(pw) einprägbar ist, und einen Referenzpotentialanschluß 208 auf, an welchem ein Referenzpotential V_ref einprägbar ist.
Ferner weist das erfindungsgemäße Hallelement eine Einrichtung 210 zum Einstellen eines Wannenpotentials auf, welche beispielsweise aus einer Ladungspumpe besteht, welche unter anderem eine Mehrzahl von Dioden 212 und eine Mehrzahl von Kondensatoren 214 umfaßt, die mit einem ersten Taktsignal 218 und einem zweiten Taktsignal 220 verbunden sind, wobei das erste Taktsignal 218 und das zweite Taktsignal 220 durch einen Taktgenerator 216 bereitgestellt sind. Durch die Ladungspumpe 210 wird eine definierte Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotential V_ref und dem Wannenpotential V(pw) erzeugt, so daß das Wannenpotential V(pw) das Potential GND unterschreitet. Wird das Referenzpotential V_ref auf ein Potential gelegt, welches der Hälfte der aktuellen Betriebsspannung VDD 204 entspricht, wird durch die Ladungspumpe 210 somit vorzugsweise eine definierte Potentialdifferenz von mindestens der Hälfte der an den positiven Hallspannungsanschluß 704 anzugelegenden maximalen Betriebsspannung VDD_max 204 ausgebildet werden, um ein Wannenpotential V(pw) zu erzeugen, welches das Potential GND unterschreitet. Somit wird erreicht, daß für alle zulässigen Betriebsspannungen VDD die Wanne 104 auf einem niedrigerem Potential liegt als die primärseitigen Hallspannungsanschlüsse 704, 706. Weiterhin kann somit durch die durch die Ladungspumpe 210 definierte Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotential V_ref und dem Wannenpotential V(pw) die Abhängigkeit der Hallausgangsspannung U_h von der Betriebsspannung VDD gesteuert werden.
Alternativ zum Einsatz einer Ladungspumpe kann die definierte Potentialdifferenz zwischen der Hallsonde 702 und der Wanne 104 auch durch eine externe Vorrichtung erzeugt werden, welche zwischen den Referenzpotentialanschluss 208 und den Wannenpotentialanschluss 206 geschaltet ist. Hierzu müssen der Referenzpotentialanschluss 208 und der Wannenpotentialanschluss 206 extern zugänglich sein.
Wie bereits erläutert, ändert sich der Innenwiderstand R_i des spannungsgesteuerten Hallelements, wenn die definierte Potentialdifferenz zwischen der Hallsonde 702 und der p-dotierten Wanne 104 gemittelt über die lateralen Abmessungen konstantgehalten wird, geringfügig. Um diesem Einfluß entgegenzuwirken ist es daher gegebenenfalls besser, die definierte Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotential V_ref und dem Wannenpotential V(pw) derart zu erzeugen, so daß sie einen Wert annimmt, der innerhalb eines Toleranzbereichs um die Hälfte der angelegten Betriebsspannung VDD des Hallelements liegt. Der Toleranzbereich kann hierbei beispielsweise eine Abweichung um vorzugsweise 5% von der Hälfte der an dem Hallelement angelegten Betriebsspannung VDD umfassen.
3 zeigt eine Tabelle, in der das sich ergebende Referenzpotential V_ref, das sich ergebende Wannenpotential V(pw) und die durch die Ladungspumpe bereitgestellte Potentialdif ferenz zwischen dem Referenzpotential V_ref und dem Wannenpotential V(pw) in Abhängigkeit von der Betriebsspannung VDD des Hallelementes aufgetragen ist. Die definierte Potentialdifferenz wird hierbei oftmals als Back-Bias-Potential V_bb bezeichnet. Wie aus 3 ersichtlich ist, bleibt das Back-Bias-Potential V_bb konstant, während sich das Wannenpotential V(pw) mit unterschiedlichen Betriebsspannungswerten VDD verändert. Durch das konstante Back-Bias-Potential V_bb wird eine definierte Dicke der Raumladungszone zwischen der Hallsonde 702 und der Wanne 104 ausgebildet, durch welche die Abhängigkeit der Hallausgangsspannung U_h steuerbar ist. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Hallsonde 702 gesteuert werden, ohne daß der Aussteuerbereich der Sonde beeinträchtig wird. An den primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704, 706 der Hallsonde 702 lässt sich somit die gesamte, dem ASIC zur Verfügung stehende Betriebsspannung VDD anlegen. Dadurch wird die Empfindlichkeit der Hallsonde 702 maximiert und somit das Rauschen der Hallsonde 702 minimiert.
4 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hallelements mit Stromsteuerung, welches eine vorstehend beschriebene und bezüglich 2 dargestellte Common-Mode-Regelung und einer Ladungspumpenschaltung umfaßt. Der Common-Mode-Regelkreis weist hierbei wieder eine Common-Mode-Referenzspannungsquelle 806, einen Operationsverstärker 800, ein Addierglied 804, ein Hallelement mit primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704 und 706, sekundärseitigen Kontakten 708a und 708b, einen Wannenpotentialanschluß 206 und eine Stromquelle 808 auf. Die Ladungspumpenschaltung umfaßt ferner die Ladungspumpe 210, bestehend aus einer Mehrzahl von Dioden 212 und einer Mehrzahl von Kondensatoren 214, einen Taktgenerator 216, welcher ein erstes Taktsignal 218 und ein zweites Taktsignal 220 erzeugt und einen Referenzpotentialanschluß 208. Durch die Ladungspumpe 210 läßt sich eine definierte Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotentialanschluß 208 und dem Wannenpotentialanschluß 206 erzeugen, wobei durch die definierte Poten tialdifferenz das Wannenpotential V(pw) derart eingeprägt wird, so dass der Übergang 106 zwischen der Hallsonde 702 und der Wanne 104 und der Übergang 106 zwischen der Wanne 104 und dem zweiten Halbleiterbereich 102 gesperrt werden. Dies läßt sich dadurch realisieren, daß das Wannenpotential V(pw) das niedrigste Versorgungspotential GND 202 unterschreitet. Wird nun der Referenzpotentialanschluß 208 auf ein Potential gelegt, welches der Hälfte der aktuellen Betriebsspannung VDD 204 des Hallelements entspricht, wird vorzugsweise durch die Ladungspumpe 210 eine definierte Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotentialanschluß 208 und dem Wannenpotentialanschluß 206 erzeugt, die mindestens der Hälfte der maximalen Betriebsspannung VDD 204 des Hallelements entspricht, um das Wannenpotential V(pw) auf einen Potentialpegel zu legen, der das Potential GND unterschreitet. Hierdurch läßt sich das Wannenpotential V(pw) derart erzeugen bzw. nachführen, so daß es einerseits von der aktuellen Betriebsspannung VDD 204 des Hallelements abhängt, zugleich jedoch eine durch die Ladungspumpe 210 vorgegebene definierte Potentialdifferenz zwischen der Hallsonde 702 und der Wanne 104 aufweist.
Für die Einrichtung 210 zum Einstellen des Wannenpotentials V(pw) bietet sich in der integrierten Schaltungstechnik vorzugsweise der Einsatz einer Ladungspumpe an. Dies resultiert daher, dass die in integrierten Schaltkreisen zur Verfügung stehenden Potentiale lediglich Werte zwischen dem niedrigsten Versorgungspotential GND und dem höchsten Versorgungspotential VDD aufweisen. Potentialwerte, welche außerhalb diesem Bereich liegen, können durch die Verwendung der Ladungspumpe erzeugt werden, wobei die durch die Ladungspumpe definierte Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotentialanschluss 208 und dem Wannenpotentialanschluss 206 variierbar ist. Eine Variation der definierten Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotentialanschluss 208 und dem Wannenpotentialanschluss 206 kann beispielsweise durch eine Hinzu-/Wegkopplung von einzelnen Komponenten (beispielsweise von Dioden 212) erfolgen, wodurch sich der vorzugsweise Einsatz einer Ladungspumpe als flexible Einrichtung 210 zum Einstellen des Wannenpotentials auszeichnet.
In 5 sind exemplarisch einige Werte des Wannenpotentials V(pw) in Abhängigkeit des Referenzpotentials V_ref aufgetragen. Hierbei bildet der Spannungsabfall zwischen den primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704 und 706, welcher durch den Stromfluß I_H der Stromquelle 808 und dem Innenwiderstand R_i der Hallsonde 702 induziert wird, im wesentlichen die Betriebsspannung VDD 204 des Hallelement. Eine geringfügige Reduktion der zwischen den primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704 und 706 auftretenden Spannung gegenüber der Betriebsspannung VDD wird hierbei durch die bereitzustellenden Sättigungsspannungen der Stromquelle 808 und des Operationsverstärkers 800 verursacht. Aus 5 wird ferner ersichtlich, daß die definierte Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotentialanschluß 208 und dem Wannenpotentialanschluß 206 – hier als Back-Bias-Potential V_bb bezeichnet – durch die Ladungspumpe 210 konstant bleibt. Weiterhin wird die Common-Mode-Referenzspannungsquelle 806 derart gesteuert, daß sie eine Common-Mode-Spannung U_CM ausgibt, welche ca. der Hälfte der aktuellen Betriebsspannung VDD des Hallelements entspricht. Dies birgt den Vorteil, daß an den primärseitigen Hallspannungsanschlüssen 704, 706 der maximale Aussteuerbereich der Hallsonde 702 zur Verfügung steht, wobei zugleich die Empfindlichkeit der Hallsonde 702 von der aktuell angelegten Betriebsspannung VDD des Hallelementes unabhängig ist. Hierdurch läßt sich eine verbesserte Rauschcharakteristik des Hallelements realisieren.
Für den Fall einer verbleibenden leichten Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Hallelements von der Betriebsspannung VDD ist eine Kompensation dieser Abhängigkeit durch eine gegengleiche Abhängigkeit des Stroms I_H möglich. Hierzu ist die Ladungspumpe 210 derart auszulegen bzw. zu steuern, daß sie eine Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotentialanschluß 208 und dem Wannenpotentialanschluß 206 erzeugt, welche einen Wert annimmt, der innerhalb eines Toleranzbereichs um die Hälfte der angelegten Betriebsspannung VDD des Hallelements liegt. Der Toleranzbereich kann hierbei beispielsweise eine Abweichung um vorzugsweise 5 % von der Hälfte der an dem Hallelement angelegten Betriebsspannung VDD umfassen.
Vorzugsweise wird die Hallsonde 702 mit einer Schutzabdeckung ausgestattet, wie in 6A und in 6B exemplarisch gezeigt ist. Wie in 6A gezeigt ist, besteht die Schutzabdeckung beispielsweise aus einer leitfähigen Schicht 604, welche von der Oberseite des Hallelements durch ein Dielektrikum 602 getrennt ist. Alternativ besteht die Schutzabdeckung beispielsweise aus einer weiteren Wanne 608, wie in 6B gezeigt, welche in die Hallsonde 702 eingebettet ist und welche einen von der Hallsonde 702 unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp aufweist. Üblicherweise spricht man in diesem Fall von shallow p-well da die Hallsonde 702 zumeist n-dotiert ist. Diese weitere Wanne 608 dient als Abdeckung der Hallsonde 702 und besitzt eine Raumladungszone, die gleiche Effekte zeigt, wie die bereits genannte Wanne 104 gemäß 1, wobei die genannte Wanne 104 gemäß 1 jedoch keine Abdeckung darstellt, sondern die Hallsonde 702 in sich aufnimmt, sozusagen als ihr Fundament dient.
Da ebenfalls das Potential der Schutzabdeckung die magnetische Empfindlichkeit der Hallsonde 702 beeinflußt, wird es bevorzugt, die Schutzabdeckung anzusteuern, um die magnetische Empfindlichkeit der Hallsonde 702 zu optimieren. Das erfindungsgemäße Hallelement funktioniert dann besonders gut, wenn die Schutzabdeckung entweder keine weitere Betriebsspannungsabhängigkeit der magnetischen Empfindlichkeit der Hallsonde 702 erzeugt, oder aber indem die Schutzabdeckung eine im wesentlichen gleiche Abhängigkeit wie die Wanne 104 in 1 erzeugt. Im ersteren Fall wird die Schutzabdeckung auf ein mit der Common-Mode-Spannung U_CM gleichlaufendes Potential (insbesondere auf U_CM selbst) gelegt; im zweiten Fall wird die Schutzabdeckung auf dasselbe Potential wie die Wanne 104 in 1 gelegt. Somit reduziert sich die geometrische Dicke t der Hallsonde um die Summe der Dicken der oberen und unteren Raumladungszonen, wobei die obere Raumladungszone zwischen der Schutzabdeckung und der Hallsonde 702 und die untere Raumladungszone zwischen der Wanne 104 und der Hallsonde 702 gebildet wird. Anzumerken sei ferner, daß die Dotierungen der weiteren Wanne 608 und der genannten Wanne 104 nicht identisch sind, so daß auch die verursachten Raumladungszonen selbst im zweiten Fall nicht gleich groß sind.
Obwohl oben bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert wurden, ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Insbesondere lassen sich durch die Ladungspumpe 210 unterschiedliche Potentialdifferenzen zwischen dem Referenzpotentialanschluss 208 und dem Wannenpotentialanschluss 206 erzeugen, wobei es jedoch bevorzugt wird, daß jedoch durch das hieraus resultierende Wannenpotential der Übergang 106 zwischen der Hallsonde 702 und der Wanne 104 und der Übergang 106 zwischen der Wanne 104 und dem zweiten Halbleiterbereich 102 gesperrt sind.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Hallelementes in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, daß das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschienenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfah rens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.

102: zweiter Halbleiterbereich
104: Wanne
106: Übergang zwischen der Hallsonde 702 und der Wanne
: 104
108: Übergang 106 zwischen der Wanne 104 und dem zweiten
: Halbleiterbereich 102
202: niedrigstes Versorgungspotential GND
204: Betriebsspannung des Hallelements VDD
206: Wannenpotentialanschluß
208: Referenzpotentialanschluß
210: Einrichtung zum Einstellen des Wannenpotentials
: (insbesondere Ladungspumpe)
212: Dioden
214: Kondensatoren
216: Taktgenerator
218: erstes Taktsignal
220: zweites Taktsignal
602: Dielektrikum
604: leitfähige Schicht
608: weitere Wanne
700: Substrat
702: Hallempfindlicher erster Halbleiterbereich
: (Hallsonde)
704: positiver Hallspannungsanschluß Hhi
706: negativer Hallspannungsanschluß Hlo
708a: erster sekundärseitiger Kontakt
708b: zweiter sekundärseitiger Kontakt
710: Raumladungszone
712: geometrische Grenze zwischen dem Hallempfindlichen
: Halbleiterbereich und dem Substrat
714: Referenzpunkt P0
800: Operationsverstärker
804: Addierglied
806: Common-Mode-Referenzspannungsquelle
808: Stromquelle

Claims

Hallelement, das folgende Merkmale aufweist: einen ersten Halbleiterbereich (702), der eine Hallempfindlichkeit und einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist; eine Wanne (104) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, wobei der erste Halbleiterbereich (702) in die Wanne (104) eingebettet ist; und einen zweiten Halbleiterbereich (102) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, in dem die Wanne (104) eingebettet ist.
Hallelement gemäß Anspruch 1, bei dem der erste Halbleiterbereich (702) zwei Hallspannungsanschlüsse (704, 706) als Steuergrößenkontakte zum Beaufschlagen mit einer veränderlichen Steuergröße und zwei sekundärseitige Kontakte (708a, 708b) als Meßgrößenkontakte zum Abgreifen einer Meßgröße aufweist.
Hallelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, das ferner folgendes Merkmal aufweist: ein Substrat (700) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, auf dem der zweite Halbleiterbereich (102) angeordnet ist.
Hallelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung (210) zum Einstellen eines definierten Wannenpotentials für die Wanne (104).
Hallelement gemäß Anspruch 4, bei dem die Einrichtung zum Einstellen des Wannenpotentials (210) ausgebildet ist, um eine definierte Potentialdifferenz zwischen einem Referenzpo tentialanschluß (208) und dem Wannenpotentialanschluß (206) zu erzeugen.
Hallelement gemäß Anspruch 5, bei dem die Einrichtung (210) zum Einstellen des Wannenpotentials eine Ladungspumpe aufweist, die die definierte Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotentialanschluß (208) und dem Wannenpotentialanschluß (206) erzeugt, bei dem das Hallelement Teil einer integrierten Schaltung ist, bei dem der integrierten Schaltung ein Versorgungspotential mit einem definierten Wert zuführbar ist und bei dem die Ladungspumpe derart ausgelegt ist, um die Wanne auf ein Potential zu bringen, welches den Wert des Versorgungspotentials unterschreitet.
Hallelement gemäß Anspruch 5, bei dem die definierte Potentialdifferenz derart ausgebildet ist, daß der Übergang (106) zwischen dem ersten Halbleiterbereich (702) und der Wanne (104) elektrisch gesperrt ist und zugleich der Übergang (108) zwischen der Wanne (104) und dem zweiten Halbleiterbereich (102) elektrisch gesperrt ist.
Hallelement gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die definierte Potentialdifferenz durch einen Wert charakterisiert ist, der sich innerhalb eines Toleranzbereichs um die Hälfte der zwischen den Steuergrößenkontakten maximal auftretenden Potentialdifferenz befindet.
Hallelement gemäß Anspruch 8, bei dem der Toleranzbereich eine Abweichung von 5% um die Hälfte der maximal auftretenden Potentialdifferenz zwischen den Steuergrößenkontakten (704, 706) umfaßt.
Hallelement gemäß Anspruch 5, bei dem an dem Referenzpotentialanschluß (208) ein Referenzpotential angelegt wird, welches durch die Hälfte der zwischen den Steuergrößenkontakten (704, 706) auftretenden Potentialdifferenz definiert ist.
Hallelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, das ferner folgendes Merkmal umfaßt: eine Schutzabdeckung, die den ersten Halbleiterbereich (702) abdeckt.
Hallelement gemäß Anspruch 11, bei dem die Schutzabdeckung folgendes Merkmal umfaßt: eine leitfähige Schicht (604), welche durch ein Dielektrikum (602) von dem ersten Halbleiterbereich (702) getrennt ist; oder eine weitere Wanne (608) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die weitere Wanne (608) in den ersten Halbleiterbereich (702) eingebettet ist.
Hallelement gemäß Anspruch 12, bei dem die weitere Wanne (608) eine Einrichtung aufweist, um die weitere Wanne (608) mit einem definierten Potential zu beaufschlagen.
Hallelement gemäß Anspruch 13, bei dem die Einrichtung zum Beaufschlagen der weiteren Wanne (608) mit einem definierten Potential ausgebildet ist, um die weitere Wanne (608) auf ein Potential zu legen, welches das Wannenpotential und das Referenzpotential umfaßt.
Verfahren zum Betreiben eines Hallelements, wobei das Hallelement einen hallempfindlichen ersten Halbleiterbereich (702) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine Wanne (104) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, in welche der hallempfindliche erste Halbleiterbereich (702) eingebettet ist, und einen zweiten Halbleiterbereich (102) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, in welchen die Wanne eingebettet ist, aufweist, mit den folgenden Schritten: Beaufschlagen des hallempfindlichen ersten Halbleiterbereichs (702) mit einer Steuergröße, durch welche eine Meßgröße ausbildbar ist, wenn ein Magnetfeld vorhanden ist; Anlegen eines Wannenpotentials an die Wanne (104) wobei das Wannenpotential in einem vorbestimmten Verhältnis zu der Steuergröße ist;
Verfahren gemäß Anspruch 15, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden eine Referenzpotentials; und Einstellen einer definierten Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotential und dem Wannenpotential (104), wobei die definierte Potentialdifferenz innerhalb eines Toleranzbereichs in einer festen Beziehung zu der Steuergröße ist und wobei durch die definierte Potentialdifferenz ein Wannenpotential erzeugt wird, durch welche der Übergang (106) zwischen dem ersten Halbleiterbereich (702) und der Wanne (104) gesperrt wird, und wobei ferner durch die definierte Potentialdifferenz ein Potential der Wanne (104) erzeugt wird, durch welches der Übergang (108) zwischen der Wanne (104) und dem zweiten Halbleiterbereich (102) gesperrt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Hallelements, mit den folgenden Schritten: Bilden einer Wanne (104) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, welche in einen zweiten Halbleiterbereich (102) eingebettet ist, der den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, der sich vom zweiten Leitfähigkeitstyp unterscheidet; Bilden eines Hallempfindlichen ersten Halbleiterbereichs (702) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, welcher in die Wanne (104) eingebettet ist; und Bilden von zwei primärseitigen Hallspannungsanschlüssen (704, 706) in dem Hallempfindlichen ersten Halbleiterbereich (702) zum Beaufschlagen des ersten Halbleiterbereichs (702) mit einer Steuergröße und von zwei sekundärseitigen Kontakten (708a, 708b) in dem Hallempfindlichen ersten Halbleiterbereich (702) zum Abgreifen einer Meßgröße.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.