DE1540434A1

DE1540434A1 - Hallgenerator,bestehend aus einem Halbleiterplaettchen

Info

Publication number: DE1540434A1
Application number: DE19651540434
Authority: DE
Inventors: Halla Dipl-Ing Ottokar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-06-01
Filing date: 1965-06-01
Publication date: 1970-02-26
Also published as: NL6607580A; GB1144156A; GB1144155A

Description

Hallgenerator, bestehend aus einem Halbleiterplättchen

Bei Hallgeneratoren ist eine gute Linearität erwünscht, d.h. der Zusammenhang zwischen Magnetfeld und Hallspannung soll bei konstantem Steuerstrom möglichst linear sein.

Um die Linearitätsverhältnisse darzustellen, bedient man sich vielfach eines Diagramms, in dem auf der Ordinatenachse die auf einen konstanten Steuerstrom normierte Hallspannung und auf der Abszissenachse die Größe des steuernden Magnetfeldes aufgetragen ist. In einem solchen Diagramm wird die Hallspannung mit verschiedenen Lastwiderständen als Parameter, z.B. R, =oo, R, = 10n, R, = 5n, usw., in Abhängigkeit vom Steuerfeld dargestellt. Will man eine möglichst lineare Kennlinie mit einem gegebenen Hallgenerator-System erzielen, so muß der jeweils günstigste Abschlußwiderstand bestimmt werden. Es wäre jedoch wünschenswert, wenn die Herstellung von Hallgeneratoren gelänge, die bei gegebenem Abschlußwiderstand eine garantierte Linearität mit möglichst kleinen Toleranzen haben.

Ferner muß es bei bekannten Hallgeneratoren als nachteilig empfunden werden, daß der empfindliche Hallgenerator bei einer versehentlichen Vertauschung der Steuerstrom- mit den Hallspannungsanschlüssen· zerstört werden kann. Weiterhin muß darauf hingewiesen werden, daß bei Hallgeneratoren eine störende Nullpunkts-Spannung, d.h. eine Spannung zwischen den Hallspannungselektroden bei fließendem Steuerstrom, jedoch abgeschaltetem Magnetfeld auftreten kann, die ihre Ursache in einem unsymmetrischen Aufbau des Halbleitersyatems hat, und durch ein Nacharbeiten des Hallgenerators an den Elektrodenanschlussen, z.B. ein Nachschleifen, beseitigt werden saß. Durch eine bessere Reproduzierbarkeit der Geometrie des Hallgenerators könnte diese Nullpunkts —Spannung

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verkleinert werden.

Gegenstand der Erfindung iet ein Hallgenerator, bestehend aus einem Halbleiterplättchen, bei dem die geschilderten Schwierigkeiten verkleinert und lie sich aus vorstehenden Erläuterungen ergebenden Forderungen erfüllt sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche des Plattchens Kreuzform besitzt und die Steuerstrom- und Hallspannungselektroden sich jeweils über die gesamte Breite der Kreuzschenkel erstrecken. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Hallgenerator die Form eines im wesentlichen symmetrischen, gleichschenkligen Kreuzes besitzt. Nicht nur die in der Schichtebene liegenden und durch den Schichtmittelpunkt gehenden Geraden in Steuerstrom- und Hallspannungsrichtung sind hierbei Symmetrielinien des Aufbaues, sondern auch die um 45° gegen diese beiden Geraden gedrehten Linien. Durch einen solchen Aufbau des Hallgenerators und die oben erwähnte, erfindungsgemäße Anordnung der Elektrodenanschlüsse ist eine Vertauschbarkeit der HalIspannungs- und Steuerstrom anschlüsse erzielbar, so daß eine Zerstörung des Hallgenerators durch Verwechseln der Anschlüsse ausgeschlossen ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besitzen die Schenkel des kreuzförmigen Halbleiterplättchens Rechteckform. Ein solcher Hallgenerator ist dadurch entstanden zu denken, daß aus einem quadratischen Halbleiterplättchen an den vier Ecken jeweils quadratische Eckenausschnitte entfernt sind, wobei im folgenden unter b die Kreuzschenkelbreite eines solchen Rechteclckreuzes verstanden werden soll und unter a die Seitenlänge der dieses Kreuz zu einem Rechteck ergänzenden, quadratischen Eckenausschnitte. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Schenkel eines im wesentlichen symmetrischen, gleichschenkligen Kreuzes sich nach außen, z.B. nach Art eines Malteserkreuzes, verbreitern. Durch, die hiermit verbundene Vergrößerung der Fläche des Halbleiterplättchens ist eine wirksame Kühlung erzielbar. Bin solches Kreuz kann durch schmale, von den Eckpunkten gegen die lütte der quadratischen Grundform

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des Hallplättchens verlaufende Einschnitte gebildet werden, so daß die Endpunkte der Schnittlinien die vier Eckpunkte eines Quadrats bilden. Die Einschnitte können auch mehr oder weniger durch deltoidförmige Eckausschnitte (Zwickel) nach außen verbreitert werden. Die Größen a und b eines solchen Kreuzes lassen sich durch Zugrundelegung der Größen a und b eines die gleiche Schenkellänge aufweisenden Rechteckkreuzes definieren.

Die erfindungsgemäß aufgebauten Hallgeneratoren zeichnen sich insbesondere durch folgende Vorteile aus?

Sie weisen eine gute Linearität auf; die Nullkomponente ist wegen der günstigen geometrischen Verhältnisse nur klein, so daß umfangreiche Nachbearbeitungen entfallen können; es läßt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Seitenverhältnis a/b, dem Widerstandsverhältnis R,/R_?q und einer bestimmten Linearität angeben, wobei unter RpQ der Innenwiderstand des Hallgenerators bei B=O und unter R^ der Abschlußwiderstand verstanden wird. Da sich für ein bestimmtes Verhältnis a/b der für die günstigste Linearität erforderliche Abschlußwiderstand bereits aus einem Diagramm entnehmen läßt, entfallen nachträgliche Linearitätsuntersuchungen und Eichungen am gefertigten Hallgeneratorsystem. Weiterhin läßt sich mit den erfindungsgemäß aufgebauten Hallgeneratoren eine relativ hohe Empfindlichkeit, d.h. ein relativ steiler Anstieg der LeerlaufhalIspannung mit dem Steuermagnetfeld bei Steuernennstrom erzielen.

Pur den Pail, daß ein Belastungswiderstand endlicher Größe verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn das Söitenverhältnis a/b etwa in den Grenzen zwischen 0,6 und 1,0 liegt, da in diesem Falle der kleinste Linearisierungsfehler auftritt. Pur den Pail, daß der Hallgenerator mit einem unendlichen großen Belastungswiderstand abgeschlossen wird, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Seitenverhältnis a/b ;y 1,2 ist, da dann der Linearisierungsfehler ebenfalls minimal ist.

Anhand der Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung

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unter Erläuterung ihrer Wirkungsweise, sowie weitere Einzelheiten beschrieben werden.

Figur 1 zeigt in Grund- und Aufriß in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäß aufgebauten Hallgenerator;

Figur 2 in schematischem Grundriß einen Hallgenerator üblicher Bauweise und

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem nach außen sioh verbreiternde Kreuzschenkel aufweisenden Hallgenerator; Figur 4 in einer den Figuren 2 und 3 entsprechenden Darstellungsweise die Herstellung zweier Hallgeneratoren nach Figur 1 aus einem langgestreckten rechteckförmigen Halbleiterplättchen;

Figur 5 ein Diagramm, in welchem in Abhängigkeit vom Seitenverhältnis a/b der Linearisierungsfehler £ in i> bei einem Abschlußwiderstand R, = oo und konstantem Steuerstrom, bei einer Magnetfeldänderung von z.B. O .... 10 KG (Kurve A) aufgetragen ist. Kurve B zeigt den Verlauf des minimalen Linearisierungsfehlers £ min.in Abhängigkeit vom Seitenverhältnis a/b bei jeweils optimalem Abschlußwiderstand R, und Kurve C zeigt den Verlauf des optimalen Abschlußwiderstandes R, in Abhängigkeit vom Seitenverhältnis a/b.

Das ebenso wie Figur 5 qualitativ dargestellte Diagramm der Figur 6 zeigt den Verlauf der Leerlaufhallspannung U₂₀ in Abhängigkeit vom Steuerstrom i.. bei konstantem Steuermagnetfeld, und zwar wurde Kurve D an einem Hallgenerator nach Figur 1 mit einem Seitenverhältnis a/b^1,2 aufgenommen; Kurve D¹ zeigt den Verlauf der Leerlaufhallspannung eines üblichen Hallgenerators nach Fig. 2 (Größenverhältnis der beiden Hallgeneratoren entsprechend Bild 4). Im Nennstrombereich N, in welchem die Abweichung der Leerlaufhallspannung vom linearen Wert der Leerlaufhallspannung einem Maximalwert (z.B. 1?ί) nicht überschreitet, ergibt sich, wie ersichtlich, eine erhebliche Steigerung der

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Empfindlichkeit von

Figur 1 zeigt einen Hallgenerator mit den beiden Steuerelektrodenpaaren 1 und 2, wobei angenommen wird, daß die Elektroden 1 die Steuerstromelektroden und die Elektroden 2 die Hallspannungselektroden sind. Genau so gut wäre es auch möglich, die Anschlüsse derart zu vertauschen, daß 2 die Steuerstrom- und 1 die Hallspannungselektroden sind. Die dargestellte symmetrische Kreuzform eines z.B. aus Indium-Arsenid, Indium-Antimonid oder Indium-Arsenid-Phosphid an sich bekannter polykristalliner Struktur bestehenden Halbleiterplättchens 3 ist derart gewonnen, daß an einem rechteckigen, gestrichelt angedeuteten Halbleiterplättchen 4 im Bereich seiner Ecken quadratische Eckenausschnitte 5 herausgenommen sind. Das geschieht beispielsweise so, daß die gewünschte kreuzförmige Grundfläche 3 abgedeckt und die Eckenbereiche weggeätzt oder mittels Sandstrahlen beseitigt werden. Mit b ist die Breite der gleichlangen Kreuzschenkel bezeichnet, über welche sich jeweils der Elektrodenanschluß 1 bzw. 2 erstreckt, mit a die Seitenlänge der ausgesparten Quadrate 5.

Zum Anbringen der Elektrodenanschlüsse 1, 2 ist zunächst im Bereich der freien Kreuzschenkelenden durch Galvanisieren eine lötbare Kupfer- oder Silberschicht oder eine andere löt- oder schweißbare Metallschicht aufgebracht worden; an diesen Schichten sind die Elektroden 1, 2 mit ihren Zuführungsleitungen 1' bzw. 2¹ durch Löten oder Schweißen befestigt.

Figur 4 zeigt einen rechteckigen, langgestreckten Halbleitergrundkörper 6, aus welchem auf die oben beschriebene Weise Eokenausschnitte 5 ausgespart sind, wobei zwei kreuzförmige Hallgeneratoren 3a, 3b nach Anbringung der Aussparungen 5 durch Abtrennen an der Stelle 7 gewonnen sind. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß ein solcher mit Elektroden nach Figur 1 versehener Hallgenerator 3a oder 3b bei vorgegebenem Steuerstrom und Magnetfeld eine größere Empfindlichkeit, d.h. einen steileren Verlauf der Hallspannungskennlinie aufweist, als ein in üblicher Weiee mit Steuerelektroden versehener Grundkörper 6, wie es aus

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dem Diagramm nach Figur 6 zu entnehmen ist.

Die Geometrie des kreuzförmigen, im wesentlichen gleichschenkligen und symmetrischen Hallgenerators nach Figur 1 ist durch die beiden Größen a und b eindeutig festgelegt im Unterschied zum langgestreckten, rechteckigen Hallgenerator nach Figur 2, dessen Geometrie von zwei Größen, nämlich a'/b¹ aus s/a¹ bestimmt ist, wobei die annähernd punktförmige Lötstelle s bei geringsten Abweichungen Nullpunktspannung und Linearität stark beeinflußt. Demgegenüber ist die Reproduzierbarkeit der Geometrie des kreuzförmigen Hallgenerators durch das Entfallen der Größe s mit größtmöglicher Genauigkeit gewährleistet.

Wie aus Figur 5 zu entnehmen ist, wird es durch die Erfindung ermöglicht, für einen bestimmten Abschlußwiderstand R, das erforderliche Verhältnis a/b und die zugehörige beste Linearität bzw. den kleinsten Linearitätsfehler aus den Funktionen £.min = f/| , H₀), und ||₀ = f ^, deren Verlauf durch Messung einmal ermittelt wurde, festzulegen. Diese ermittelten Werte lassen sich wegen der guten Reproduzierbarkeit der Geometrie des Hallgenerators ohne große Toleranzen verifizieren.

Die Kurven im Diagramm der Figur 5» die beispielsweise für einen Hallgenerator der in Figur 1 dargestellten Form ermittelt wurden, lassen erkennen, daß man für endliche Werte des Widerstandes R, die maximale Linearität etwa im Bereich des Seitenverhältnisses von 0,6 bis 1,0 erhält, da hier die Kurve B durch ein sehr flach verlaufendes Minimum geht. Für den Hallgenerator mit unendlich großem Abschlußwiderstand ist das günstigste Seitenverhältnis a/b ^r 1,2, wie es die Kurve A zeigt. Mit kleiner werdenden Werten des Seitenverhältnisses a/b wird der minimale Linearitätsfehler E min. größer und der erforderliche Abschlußwiderstand kleiner, wie die Kurve B in Verbindung mit Kurve C zeigt.

Das in Figur 3 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel für einen gleichschenkligen, symmetrischen Hallgenerator zeigt eineetwa aälteserkreuzförmige Grundfläche, bei welcher die Ecken-

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ausschnitte 5¹ Zwickelform besitzen bzw. schmale Einschnitte darstellen. Wie eingangs bereits erwähnt, sind die Kühlungsverhältnisse einer solchen Plättchenform günstiger, während sich an den günstigen Empfindlichkeits- und Iiinearitätsverhältnissen praktisch wenig ändert. Wie die in Figur 3 eingetragenen Größen a und b zeigen, wird die Größe b an der schmälsten Stelle des Kreuzschenkels gemessen; die Größe a ist die Projektion der Zwickelseite c auf die Symmetrieachse 8, so daß sich hinsichtlich der Definition der Größen a und b bei einem derartig geformten Hallgenerator entsprechende Verhältnisse wie bei einem Hallgenerator nach Fig. 1 ergeben.

6 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims

VIA 65/1563 Patentansprüche

1. Hallgenerator, bestehend aus einem Halbleiterplättchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche des Plattchens Kreuzfonn besitzt und die Steuerstrom- und Hallspannungselektroden sich jeweils über die gesamte Breite der Kreuzschenkel erstrecken.

2. Hallgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen symmetrisches, gleichschenkliges Kreuz.

3. Hallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel Rechteckform besitzen.

4· Hallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel sich nach außen verbreitern.

5. Hallgenerator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einem Belastungswiderstand endlicher Größe, gekennzeichnet durch ein Seitenverhältnis 0,6<a/b<1,0, worin b die auf ein Rechteckkreuz bezogene Kreuzschenkelbreite und a die die Seitenlänge der dieses Kreuz zu einem Rechteck ergänzenden quadratischen Eckenausschnitte bedeutet.

6. Hallgenerator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einem unendlich großen Belastungswiderstand, gekennzeichnet durch ein Seitenverhältnis a/b «.1,2.

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