DE1955442A1

DE1955442A1 - Device for detecting a magnetic field

Info

Publication number: DE1955442A1
Application number: DE19691955442
Authority: DE
Inventors: Takeshi Matsushita
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1968-11-05
Filing date: 1969-11-04
Publication date: 1970-05-06
Also published as: NL6916665A; CA927479A; GB1292302A; FR2022637A1

Description

ItIt

Sony Corporation, Tokyo / JapanSony Corporation, Tokyo / Japan

Vorrichtung zur Feststellung eines magnetischen FeldesDevice for detecting a magnetic field

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feststellung eines magnetischen Feldes, insbesondere eine hochempfindliche Vorrichtung dieser Art, die ein Halbleiterelement mit drei Elektroden benutzt.The invention relates to a device for detection of a magnetic field, particularly a highly sensitive device of this type which is a semiconductor element used with three electrodes.

Zur Verwendung in Vorrichtungen zur Feststellung eines magnetischen Feldes wurden bereits verschiedene Ilalbleiter-Magnetwiderstandselemente ("magnetoresistance elements") vorgeschlagen bzw. eingesetzt, beispielsweise ein Magnetwiderstandselement, das den Suhl-Effekt benutzt, ein von Sony Corporation entwickeltes Magnetwiderstandselement SMD (Warenzeichen), ein den Hall-Effekt ausnutzendes Hallelement usw. Diese bekannten Halbleiter-Magnetwiderstandselemente besitzen jedoch mit Ausnahme von SMD eine geringe Empfindlichkeit, sie sind ferner auf die Stelle der tatsächlichen Benutzung und bestimmte Verwendungen begrenzt und außerdem teuer. Das Magnetwiderstandselement SHD ist zwar um einige hundert- bis einige tausendmal so empfindlich wie das Hall-Element j seine Herstellung ist jedoch kompliziert, da hierbei ein Rekombinationsbereich auf der Oberfläche des Elementes gebildet werden muß; dieses Element ist ferner ganz gelegentlich vorkommenden Änderungen unterworfen und in der Betriebsweise nicht so zuverlässig. Ein Nachteil des Magnetwiderstandselementes SMD besteht ferner darin, daß es ein Ausgangssignal bei einem Magnetfeld von nur etwa +5 kOe erzeugt und daß das Ausgangssignal bei Vorhandensein eines Magnetfeldes größerer Stärke in den Sättigungsbereich kommt.For use in devices for detecting a magnetic Various semiconductor magnetoresistance elements have already been used in the field ("magnetoresistance elements") proposed or used, for example a magnetoresistance element, using the Suhl effect, a magnetoresistive element SMD (trademark) developed by Sony Corporation Hall effect utilizing Hall element, etc. However, these known semiconductor magnetoresistance elements have exceptions SMD have a low sensitivity, they are also subject to actual use and specific uses limited and also expensive. The magnetoresistance element SHD is a few hundred to a few thousand times that as sensitive as the Hall element, but its production is complicated, since it involves a recombination area on the surface of the element must be formed; this element is also subject to occasional changes and not so reliable in operation. A disadvantage of the magnetic resistance element SMD is that it generates an output signal with a magnetic field of only about +5 kOe and that the output signal if present a magnetic field of greater strength comes into the saturation range.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. Schaltungsanordnung zu entwickeln, welche die Mängel der bekannten Ausführungen vermeidet.The invention is therefore based on the object of a device or to develop a circuit arrangement which avoids the shortcomings of the known designs.

Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterelement benutzt, mit einer ersten Elektrode, die Träger beispielsweise in einen Substrat des Elementes injiziert, mit einer zweiten Elektrode, die ein Injektionsplasma zwischen dem Substrat und der ersten Elektrode erzeugt und mit einer dritten Elektrode, welche das durch ein Magnetfeld abgelenkte Injektionsplasma aufnimmt. Zur Erleichterung der Beschreibung werden die genannten drei Elektroden im folgenden als Emitter, Basis und Kollektor bezeichnet. Die Funktion dieser drei Elektroden unterscheidet sich jedoch von der Punktion entsprechend bezeichneter Elektroden bei üblichen Transistoren.According to the invention, a semiconductor element is used, with a first electrode, the carrier for example in a Substrate of the element injected, with a second electrode, an injection plasma between the substrate and the first Electrode generated and with a third electrode, which receives the injection plasma deflected by a magnetic field. To simplify the description, the three electrodes mentioned are referred to below as emitter, base and collector. However, the function of these three electrodes differs from the puncture of correspondingly labeled electrodes with common transistors.

Die Abstände zwischen benachbarten Elektroden des erfindungsgemäß verwendeten Halbleiterelementes sind daher wesentlich größer als bei üblichen Transistoren. Beispielsweise wird der Abstand zwischen der ersten und zweiten Elektrode größer als die Diffusionslänge gewählt.The distances between adjacent electrodes of the semiconductor element used according to the invention are therefore essential larger than common transistors. For example, the distance between the first and second electrodes selected greater than the diffusion length.

Das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete, magnetisch empfindliche Halbleiterelement benötigt daher nicht den Rekombinationsbereich, läßt sich demgemäß leicht herstellen und ist gelegentlichen Änderungen weniger ausgesetzt.The magnetically sensitive semiconductor element used in the device according to the invention is therefore not required the recombination area, is accordingly easy to produce and is less subject to occasional changes.

Durch die Erfindung wird somit eine Vorrichtung zur Feststellung eines magnetischen Feldes geschaffen, die hochempfindlich ist und die bis zu einem Magnetfeld hoher Stärke hin nicht gesättigt ist. .The invention thus creates a device for determining a magnetic field that is highly sensitive and which is not saturated up to a high strength magnetic field. .

Einige A.usführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigenSome embodiments of the invention are set out below explained in more detail with reference to the drawing. Show it

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Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die schematisch ein Ausführungsbedspiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung eines magnetischen Feldes zeigt, die ein magnetisch empfindliches Element enthält;1 is an enlarged perspective view showing schematically an exemplary embodiment of a device according to the invention for detection shows a magnetic field containing a magnetically sensitive element;

Fig.2A, 2B und 2C Schemadarstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, 2A, 2B and 2C are schematic representations for explanation the mode of operation of the circuit arrangement according to the invention,

Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die schematisch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des in-· der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung eines magnetischen Feldes benutzten Elementes zeigt;3 is an enlarged perspective view showing schematically a modified embodiment of the internal device according to the invention Figure 11 shows an element used to detect a magnetic field;

Fig. ¹J und 5 Diagramme der Kennlinien der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Fig. ¹ J and 5 are graphs of the characteristics of the device according to the invention.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Feststellung eines magnetischen Feldes. Sie enthält einen Halbleitersubstrat 2, der vorzugsweise aus Germanium, Silizium oder einer anderen halbleitenden Verbindung hergestellt wird. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Substrat 2 aus einem Germanium-Halbleiter von hohem Widerstand hergestellt, der ein I-Schicht-Halbleiter mit einer Verunreinigungskonzentration von etwa 10 Atome/cm ist. Der halbleitersubstrat 2 braucht jedoch nicht ein I-Typ-Halbleiter zu sein, sondern kann auch ein P- oder M-Typ-Halbleiter mit einer Verunreinigungskonzentration von 10 bis 10 ^J Atome/cm'' sein. Der Halbleitersubstrat 2 wird mit einem Ätzmittel CP-¹I geätzt, mit Wasser abgewaschen und in üblicher Weise getrocknet Typische Abmessungen des Substrates 2 sind beispielsweise eineFig. 1 shows an embodiment of the device 1 according to the invention for determining a magnetic field. It contains a semiconductor substrate 2, which is preferably made of germanium, silicon or some other semiconducting compound. In the present embodiment, the substrate 2 is made of a germanium semiconductor of high resistance which is an I-layer semiconductor having an impurity concentration of about 10 atoms / cm. However, the semiconductor substrate 2 does not need to be an I-type semiconductor, but may also be a P- or M-type semiconductor with an impurity concentration of 10 to 10 ^J atoms / cm ". The semiconductor substrate 2 is etched with an etchant CP ¹ I, washed with water and dried in a conventional manner Typical dimensions of the substrate 2, for example, a

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Länge L von 3 mm, eine Breite W von 1,8 mm und eine Stärke T von 0,37 mm. Auf der Oberseite 3 des Substrates 2 werden P-Typ-Verunreinigungsbereiche 4 und 5 durch eine Legierungsmethode gebildet, die voneinander einen Abstand D von 0,8 mm aufweisen. Auf der Unterseite 6 des Substrates 2 wird an einer geeigneten Stelle ein N-Typ-Verunreinigungsbereich 7 erzeugt. Die P-Typ— Verunreinigungspunkte werden aus einer Indium-Zinn-Legierung und der N-Typ-Verunreinigungspunkt aus einer Antimon-Zinn-Legierung gebildet j die Verunreinigungskonzentrationen der Be-Length L of 3 mm, a width W of 1.8 mm and a thickness T of 0.37 mm. On the top 3 of the substrate 2, P-type impurity areas become 4 and 5 formed by an alloying method, which are spaced apart from each other by a distance D of 0.8 mm. On the underside 6 of the substrate 2, an N-type impurity region 7 is created at a suitable location. The P-Type— Impurity points are made of an indium-tin alloy and the N-type impurity point is made of an antimony-tin alloy formed j the impurity concentrations of the

19 reiche 4, 5 und 7 liegen in der Größenordnung von etwa 10 Atome/cm . Der Substrat 2 wird dann zur Reinigung seiner Ober- ^ fläche mit Wasserstoffperoxyd behandelt. Da die oben erläuterten Vorgänge genau dieselben sind wie bei der Herstellung eines üblichen Legierungstransistors, bestehen bei der Herstellung eines solchen Elementes keine besonderen technischen Schwierigkeiten. Zur Anbringung von Anschlüssen werden·Elektroden 8, 9 und 10 an die Bereiche 4, 7 und 5 angelötet; das Element wird dann vollständig mit einem Kunstharz vergossen. Die Elektroden 8, 9 und 10 werden im folgenden als erste, zweite bzw. dritte Elektrode bezeichnet. Bei der gegenwärtigen Verwendung des Elementes wird eine Stromquelle E so mit der ersten und zweiten Elektrode 8 bzw. 9 verbunden, daß der positive Pol mit der ersten Elektrode und der negative Pol der Stromquelle E mit der zweiten Elektrode verbunden ist, so daß ein Hauptstrom I.» durch den Substrat 2 fließt. Bei drei V Spannung der Spannungsquelle E betrug bei den Versuchen der Hauptstrom I„ etwa 30 mA. Bei den Versuchen mit der Vorrichtung zur Feststellung eines magnetischen Feldes, wobei ein Lastwiderstand R, zwischen die zweite und dritte Elektrode 9 bzw. 10 geschaltet war, wurden magnetische Felder H etwa senkrecht zur Ebene 11 zur Einwirkung auf den Halbleitersubstrat 2 gebracht. Dabei wurde ein Strom durch den Widerstand R_L bzw. eine Spannung an diesem Widerstand gemessen. Betrug der Lastwiderstand Ry 100-O., so ergaben sich bei einem Magnetfeld H+ von 1 kOe, bei keinem Magnetfeld bzw. bei einem19 rich 4, 5 and 7 are on the order of about 10 atoms / cm. The substrate 2 is then treated with hydrogen peroxide to clean its surface. Since the above-mentioned processes are exactly the same as those used in the production of a conventional alloy transistor, there are no particular technical difficulties in producing such an element. To make connections, electrodes 8, 9 and 10 are soldered to areas 4, 7 and 5; the element is then completely encapsulated with a synthetic resin. The electrodes 8, 9 and 10 are hereinafter referred to as the first, second and third electrodes, respectively. In the current use of the element, a power source E is connected to the first and second electrodes 8 and 9, respectively, that the positive pole is connected to the first electrode and the negative pole of the power source E is connected to the second electrode, so that a main current I. . " flows through the substrate 2. At a voltage of three V from the voltage source E, the main current I "was about 30 mA in the experiments. In the experiments with the device for determining a magnetic field, a load resistor R 1 being connected between the second and third electrodes 9 and 10, magnetic fields H were applied to the semiconductor substrate 2 approximately perpendicular to the plane 11. A current through the resistor R _L or a voltage across this resistor was measured. If the load resistance Ry was 100-O., With a magnetic field H + of 1 kOe, with no magnetic field or with one

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Magnetfeld H- von -1 kOe Ströme von 0,5 mA, 0,4 mA bzw. 0,33 mA, Das magnetisch empfindliche Element liefert also eine Änderung von 0,1 bis 0,4 mA, d.h. von etwa 20$, wenn es Magnetfeldern H+ und H- von 1 kOe ausgesetzt wird. Diese Empfindlichkeit ist ein Mehrfaches der des eingangs erwähnten Magnetwiderstandselementes SMD. Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen magnetisch empfindlichen Elementes ist natürlich nicht so hoch wie die des Hall-Elementes. Es sei jedoch hervorgehoben, daß das magnetisch empfindliche Element unterschiedliche Ausgangswerte je nach der Richtung des magnetischen Feldes liefert, was eine Unsymmetrie in die Kennlinie bringt. Das Wirkungsprinzip des magnetisch empfindlichen Elementes soll Im folgenden qualitativ betrachtet werden.Magnetic field H- of -1 kOe currents of 0.5 mA, 0.4 mA or 0.33 mA, The magnetically sensitive element thus delivers a change of 0.1 to 0.4 mA, i.e. of about $ 20 when there are magnetic fields H + and H- is exposed to 1 kOe. This sensitivity is a multiple of that of the magnetic resistance element mentioned at the beginning SMD. The sensitivity of the magnetic according to the invention sensitive element is of course not as high as that of the Hall element. It should be emphasized, however, that the magnetically sensitive element provides different output values depending on the direction of the magnetic field, which is a Brings asymmetry into the characteristic. The operating principle of the magnetically sensitive element is to be qualitative in the following to be viewed as.

Die Fig. 2A, 2B und 2C sind Schemadarstellungen zur Veranschaulichung der im Halbleitersubstrat gebildeten elektrischen Felder im Fall, daß kein magnetisches Feld vorhanden ist, daß ein magnetisches Feld H+ bzw. ein magnetisches Feld H- vorhanden ist (vgl. Fig. 1). In Fig. 2A ist die dritte Elektrode 10 nicht vorgespannt; die elektrischen Felder, die durch Träger, nämlich Löcher und in den Substrat 2 durch die erste Elektrode 8 injizierte Elektronen, gebildet werden, sind mit 12 und 13 bezeichnet; ein Plasma wird zwischen den elektrischen Feldern erzeugt; Die Impedanz zwischen der zweiten und dritten Elektrode 9 und 10 ist groß; der Ausgangsstrom ist sehr klein. Anders ausgedrückt, fließt der Haupt strom I.. zwischen der ersten und zweiten Elektrode 8, 9, während kein Strom oder nur ein extrem kleiner Strom zwischen der ersten und dritten Elektrode 8, 10 fließt. Die Impedanz zwischen der ersten und dritten Elektrode 8, 10 ist hoch.2A, 2B and 2C are diagrams showing the electric fields formed in the semiconductor substrate in the event that there is no magnetic field, that there is a magnetic field H + and a magnetic field H-, respectively (see FIG. 1). In Figure 2A, the third electrode 10 is not biased; the electric fields which are formed by carriers, namely holes and electrons injected into the substrate 2 by the first electrode 8, are denoted by 12 and 13; a plasma is generated between the electric fields; The impedance between the second and third electrodes 9 and 10 is large; the output current is very small. In other words, the main current I .. flows between the first and second electrodes 8, 9, while no current or only an extremely small current flows between the first and third electrodes 8, 10. The impedance between the first and third electrodes 8, 10 is high.

Fig. 2B zeigt die im Halbleitersubstrat des magnetisch empfindlichen Elements erzeugten elektrischen Felder, wenn der Substrat einem magnetischen Feld H+ ausgesetzt-wird; in diesem Falle werden die Löcher und die in den Substrat 2 In-Fig. 2B shows the electric fields generated in the semiconductor substrate of the magnetically sensitive element when the substrate is exposed to a magnetic field H +; in this case the holes and the in-

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jizierten Elektronen durch die Lorentz-Kraft weiter naeh rechts als im Falle des Fehlens eines magnetischen Feldes gezogen; es ergibt sich dadurch ein elektrisches Feld 12, das die Bereiche ¹J und 5 der ersten und dritten Elektrode 8, 10 umfaßt; die Impedanz zwischen der ersten und dritten Elektrode 8, 10 ist niedrig. Anders ausgedrückt, fließt der Hauptstrom I„ gänzlich oder fast vollständig von der ersten Elektrode 8 zur dritten Elektrode 10 und gibt ein Ausgangssignal.Projected electrons are drawn further to the right by the Lorentz force than in the case of the absence of a magnetic field; this results in an electric field 12 which ^{comprises the regions 1} J and 5 of the first and third electrodes 8, 10; the impedance between the first and third electrodes 8, 10 is low. In other words, the main current I "flows completely or almost completely from the first electrode 8 to the third electrode 10 and gives an output signal.

Fig. 2C zeigt die in dem Halbleitersubstrat gebildeten " elektrischen Felder, wenn der Substrat dem magnetischen Feld H- ausgesetzt wird; in diesem Fall ergeben sich die elektrischen Felder 12 und 13, wobei sich die Impedanz zwischen der ersten und dritten Elektrode 8, 10 stark vergrößert und eine Verringerung des Ausgangssignales bewirkt. Die Differenz zwischen den Ausgangssignalen bei fehlendem Magnetfeld und bei einem Magnetfeld H- ist jedoch nicht so groß wie im Falle des Magnetfeldes H+ (was bei einem Vergleich der Impedanzen zwischen der ersten und dritten Elektrode leicht verständlich ist). Dies ergibt die unsymmetrische Kennlinie.Fig. 2C shows those formed in the semiconductor substrate "Electric fields when the substrate is exposed to the magnetic field H- is exposed; in this case the electric fields 12 and 13 result, the impedance between the first and third electrodes 8, 10 greatly enlarged and causes a reduction in the output signal. The difference however, between the output signals in the absence of a magnetic field and in the case of a magnetic field H- is not as great as in the case of the magnetic field H + (which is easy to understand when comparing the impedances between the first and third electrodes is). This results in the asymmetrical characteristic.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel ist der Kalbleitersubstrat ein I-Typ; er kann jedoch auch aus einem P- oder N-Typ-Halbleiter bestehen, so lange die Verunreinigungskonzentration, wie oben beschrieben, im Bereich von 10 bis 10 Atome/cirr liegt. Die Bereiche 4 und 5 können ferner N-Typ und der Bereich 7 P-Typ aufweisen; in diesem Falle müssen die Anschlüsse zur Stromquelle E umgekehrt werden. Die zweite Elektrode 9 bildet beim dargestellten Ausführungsbeispiel einen flächenhaften Übergang; sie kann·jedoch auch so ausgebildet sein, daß sie mit dem Substrat einen ohmschen Kontakt herstellt.In the above embodiment, the semiconductor substrate is an I-type; however, it can also consist of a P- or N-type semiconductor as long as the impurity concentration as described above, is in the range of 10 to 10 atoms / cirr. The areas 4 and 5 can also N-type and the region 7 are P-type; in this case the connections to the power source E must be reversed. In the illustrated embodiment, the second electrode 9 forms a planar transition; she can · however also be designed so that it makes an ohmic contact with the substrate.

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Allgemein weist der Abstand D zwisqhen der ersten Elektrode 8 und der dritten Elektrode 10 einen großen Einfluß auf die Empfindlichkeit des Elementes auf, zusammen mit der Lage der zweiten Elektrode, wie im folgenden näher erläutert wird. Zur Erleichterung der Beschreibung werden die erste, zweite und dritte Elektrode als Emitter-, Basis- und Kollektorbereiche oder -elektroden bezeichnet.In general, the distance D is between the first electrode 8 and the third electrode 10 have a great influence on the sensitivity of the element, together with the Position of the second electrode, as explained in more detail below will. For ease of description, the first, second, and third electrodes are referred to as emitter, base, and collector regions or electrodes.

Wenn der Substrat 2 vom N-Typ ist, sind Emitter-und Kollektorbereiche vom P-Typ und der Basisbereich vom N-Typ; nur die" Löcher werden vom Emitterbereich in den Substrat 2 injiziert und bilden um den Emitterbereich ein Plasma. Liegt der Kollektorbereich innerhalb der Diffusionslänge vom Emitterbereich, so nimmt der Kollektorbereich, wenn das Plasma durch ein magnetisches Feld zum Kollektorbereich gezogen wird, mehr Löcher auf und die Zahl der Elektronen wird durch die Raumladüngs-Neutralitätsbedingung verringert, was eine Verringerung der Plasmadichte im Substrat verursacht. Dies führt zu einer Vergrößerung des Widerstandes des Substrates und einer Verkleinerung des Emitterstromes, so daß auf die Änderung des Kollektorstromes ein negativer Rückkopplungseffekt ausgeübt wird. Wenn ein Magnetfeld das Plasma vom Kollektorbereich wegzuziehen sucht, so verringert sich die Zahl der vom Kollektorbereich aufgenommenen Löcher, was eine Verkleinerung des Widerstandes des Substrates und demgemäß eine Vergrößerung des Emitterstromes zur Folge hat; hierdurch wird auch in diesem Falle auf die Änderung des Kollektorstromes ein negativer Rückkopplungseffekt ausgeübt. Die Empfindlichkeit des magnetosensitiven Elementes kann daher dadurch erhöht werden, daß der Kollektorbereich an einer Stelle vorgesehen wird, die vom Emitterbereich um mehr als die Diffusionslänge entfernt ist. Ist der Abstand Lee zwischen den Emitter- und Kollektorbereichen mehr als doppelt so groß wie der Abstand Leb zwischen den Emitter- und Basisbereichen, so hat das Plasma des Substrates praktisch leinen Einfluß auf den Kollek-When the substrate 2 is of the N-type, the emitter and collector regions are of the P-type and the base region is of the N-type; only the "holes are injected from the emitter area into the substrate 2 and form a plasma around the emitter area. If the collector area lies within the diffusion length of the emitter area, the collector area takes up more holes when the plasma is drawn to the collector area by a magnetic field the number of electrons is reduced by the space charge neutrality condition, which causes a decrease in the plasma density in the substrate. This leads to an increase in the resistance of the substrate and a decrease in the emitter current, so that a negative feedback effect is exerted on the change in the collector current If a magnetic field tries to pull the plasma away from the collector area, the number of holes taken up by the collector area is reduced, which results in a decrease in the resistance of the substrate and consequently an increase in the emitter current; in this case, too, the change in coll ektorstromes exerted a negative feedback effect. The sensitivity of the magnetosensitive element can therefore be increased in that the collector region is provided at a location which is removed from the emitter region by more than the diffusion length. If the distance Lee between the emitter and collector areas is more than twice as large as the distance Leb between the emitter and base areas, the plasma of the substrate has practically no influence on the collector area.

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torbereich; der Abstand Leb muß also größer als die Diffusionslänge Ld, aber kleiner als 2 Lee sein. Wird der Abstand Leb im erfindungsgemäßen magnetosensitiven Element kleiner als die Diffusionslänge Ld gewählt, so gelangt eine Gegenvorspannung an den Kollektorbereich durch einen Spannungsabfall zwischen Emitter und Kollektor nur, wenn Basis und Emitter elektrisch miteinander verbunden sind, wodurch sich eine erhöhte Empfindlichkeit ergibt.gate area; the distance Leb must therefore be greater than the diffusion length Ld, but less than 2 lee. The distance Leb in the magnetosensitive element according to the invention becomes smaller is selected as the diffusion length Ld, a counter bias is applied to the collector area due to a voltage drop between emitter and collector only if base and emitter are electrically connected to each other, resulting in increased sensitivity.

Ist der Substrat 2 vom P-Typ, so besitzen Emitter und Kollektor den P⁺-Typ, die Basis N-Tyρ und die Stromquelle ist mit ihrer positiven Elektrode an den Emitter angeschlossen; Elektronen werden in den Substrat von der Basis injiziert, akkumulieren jedoch an der Emitterschicht und bewirken eine Akkumulation von Löchern. Dies ergibt denselben Effekt wie eine Injektion der Träger vom Emitter.If the substrate 2 is of the P-type, the emitter and collector have the P ⁺ -type, the base N-Tyρ and the current source is connected with its positive electrode to the emitter; Electrons are injected into the substrate from the base, but accumulate on the emitter layer and cause holes to accumulate. This gives the same effect as injecting the carriers from the emitter.

Ist der Substrat 2 vom I-Typ, so ist das Plasma auch zwischen Emitter und Basis vorhanden, so daß der Abstand D zwischen dem Kollektor und dem Hauptstromweg größer als die Diffusionslänge sein muß. Es ist daher erforderlich, daß der Abstand Leb größer als die Diffusionslänge und der Abstand D kleiner als 2 Leb 1st.If the substrate 2 is I-type, so is the plasma present between emitter and base, so that the distance D must be greater than the diffusion length between the collector and the main flow path. It is therefore necessary that the distance Leb is greater than the diffusion length and the distance D is less than 2 Leb 1st.

Allgemein benutzt das erfindungsgemäß verwendete Halbleiterelement die Ablenkung des Trägers durch ein magnetisches Feld; der Ablenkungswinkel ist tan uB (wobei ja die Beweglichkeit des Trägers und B die magnetische Feldstärke ist), so daß sich der Abstand der Ablenkung bei einer Vergrößerung der Bahn des Trägers vergrößert. Der Abstand Leb soll demgemäß vorzugsweise groß sein; wenn jedoch die Lebensdauer des Trägers im Substrat kurz ist, so 1st eine Stromquelle hoher Spannung erforderlich; es ist daher erwünscht, daß der Träger nur schwer rekombiniert und eine lange Lebensdauer besitzt. Kurz gesagt, vergrößert eine lange Lebensdauer des Trägers seine Diffusions-In general, the semiconductor element used in the present invention uses the deflection of the carrier by a magnetic field; the angle of deflection is tan uB (where , after all, the mobility of the carrier and B is the magnetic field strength), so that the distance of the deflection increases with an increase in the path of the carrier. Accordingly, the distance Leb should preferably be large; however, if the life of the carrier in the substrate is short, a high voltage power source is required; therefore, it is desirable that the carrier be difficult to recombine and have a long life. In short, a long life of the carrier increases its diffusivity

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länge und ermöglicht eine Vergrößerung des Abstandes zwischen Kollektor und Emitter zum Zwecke einer erhöhten Empfindlichkeit. length and allows the distance between Collector and emitter for the purpose of increased sensitivity.

Da ferner die Löcher und Elektronen bei einer Vergrößerung des spezifischen Widerstandes des Substrates in gleicher Zahl zur Existenz kommen, wird keine Hall-Spannung durch den Hall-Effekt erzeugt, und die Träger werden gut abgelenkt. Der Substrat ist daher vorzugsweise vom I-Typ, da er eine höhere Empfindlichkeit besitzt und eine doppelte Injektion der Träger ermöglicht.Furthermore, since the holes and electrons are enlarged of the specific resistance of the substrate come into existence in the same number, there is no Hall voltage due to the Hall effect is generated and the carriers are well deflected. The substrate is therefore preferably of the I-type because it has a higher Has sensitivity and allows double injection of the carrier.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verwendeten, magnetosensitiven Halbleiterelementes, wobei die entsprechenden Teile wie in Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Elektroden 8, 9 und 10 und die entsprechenden Bereiche 4, 7 und 5 sind alle auf der Hauptfläche 11 des Substrates ausgebildet. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß die dritte Elektrode 10 frei an einer gewünschten Stelle ausgebildet werden kann, was die gewünschte Auswahl der Empfindlichkeitskennlinie des Elementes ermöglicht.Fig. 3 shows another embodiment of the in the invention Circuit arrangement used, magnetosensitive semiconductor element, the corresponding parts such as in Fig. 1 are denoted by the same reference numerals. the Electrodes 8, 9 and 10 and the corresponding areas 4, 7 and 5 are all formed on the main surface 11 of the substrate. The advantage of this solution is that the third electrode 10 can be formed freely at a desired point, which is the desired selection of the sensitivity characteristic of the element.

Die graphische Darstellung der Fig. k zeigt die Abhängigkeit zwischen Kollektorstrom und Kollektorspannung des in Fig. 3 dargestellten, magnetosensitiven Halbleiterelementes bei Verwendung in der in Fig. 1 veranschaulichten Schaltungsanordnung. Der Substrat 2 ist hierbei ein 7Γ-^Τ3Φ oder P~-Typ-Silizlumsubstrat mit einem spezifischen Widerstand zwischen ²IOO und 600A.cm und einer Stärke von 70 Mikron; Emitter und Basis besitzen Abmessungen von 50 χ 50 Mikron, der Kollektor Abmessungen von 50 χ 100 Mikron; Emitter und Kollektor sind vom P-Typ, die Basis vom N-Typ; der Abstand D beträgt 200 Mikron, der Abstand 1 zwischen den Elektroden 8 und 9 beträgt 600 Mikron und die Spannung der Spannungsquelle 20 V.The graph of FIG. K shows the relationship between collector current and collector voltage of the magnetosensitive semiconductor element shown in FIG. 3 when used in the circuit arrangement shown in FIG. The substrate 2 is a 7Γ- ^Τ 3Φ or P ~ -type silicon substrate with a specific resistance between ² 100 and 600 A.cm and a thickness of 70 microns; The emitter and base are 50 50 microns, the collector 50 χ 100 microns; The emitter and collector are of the P-type, the base of the N-type; the distance D is 200 microns, the distance 1 between electrodes 8 and 9 is 600 microns and the voltage of the voltage source is 20 V.

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Bei einem Lastwiderstand Rj. von 250 k_O_ ändert sich die Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung zur Feststellung des Magnetfeldes in einem Maß von 0,8 V pro 1 kOe, wenn ein Magnetfeld von etwa - 1 kOe angelegt wird. Auch hieraus ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Feststellung eines Magnetfeldes ein sehr großes Ausgangssignal bei einem Magnetfeld von weniger als 1 kOe liefert, somit eine in der Vergangenheit nicht erreichbare Empfindlichkeit aufweist.With a load resistance Rj. Of 250 k_O_, the output voltage changes the circuit arrangement for determining the magnetic field to a level of 0.8 V per 1 kOe when a magnetic field of about - 1 kOe is applied. This also results in the circuit arrangement according to the invention for determining of a magnetic field delivers a very large output signal at a magnetic field of less than 1 kOe, thus has a sensitivity not achievable in the past.

Das Diagramm der Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen Kollektorstrom und Kollektorspannung für ein anderes magnetosensitives Halbleiterelement der Ausführung gemäß Fig. 3 bei Verwendung in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Anordnung ist genau die gleiche wie in Fig. 1, mit der einzigen Ausnahme, daß die Stromquelle in umgekehrter Polung angeschlossen ist. Emitter und Basis besitzen Abmessungen von 50 χ 50 Mikron, der Kollektor Abmessungen von 50 χ 150 Mikron; Emitter und Kollektor sind vom ii-Typ,die Basis vom P-Typ; der Abstand D beträgt 250 Mikron, der Abstand 1 beträgt 600 Mikron; der Halbleitersubstrat ist ein 7t-Typ-Siliziumsübstrat mit einer Stärke von 120 Mikron und einem spezifischen Widerstand von 800 bis 1200 jO. cm. Beträgt der Lastwiderstand 300 kfi., so ändert sich die Ausgangsspannung um 0,9 V pro 1 kOe, wenn das Magnetfeld um - 1 kOe um Null schwankt.The diagram of Fig. 5 shows the relationship between collector current and collector voltage for another magnetosensitive Semiconductor element of the embodiment according to FIG. 3 when used in the circuit arrangement according to the invention. the Arrangement is exactly the same as in Fig. 1, with the only exception that the power source is connected in reverse polarity is. The emitter and base have dimensions of 50 χ 50 microns, the collector dimensions of 50 χ 150 microns; The emitter and collector are of the ii-type, the base of the P-type; the Distance D is 250 microns, distance 1 is 600 microns; the semiconductor substrate is a 7t-type silicon substrate with a Thickness of 120 microns and a specific resistance of 800 to 1200 jO. cm. If the load resistance is 300 kfi., Then changes the output voltage increases by 0.9 V per 1 kOe, if that Magnetic field fluctuates by - 1 kOe around zero.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ändert sich in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der Kollektorstrom bei Anlegung eines Magnetfeldes; man gewinnt als Ausgangssignal eine Spannung, die durch den Schnittpunkt der Kollektorstromkennlinie mit der Lastwiderstandslinie definiert ist; die Änderung des Ausgangssignales entspricht der Bewegung des Schnittpunktes bei einer Änderung der Magnetfeldstärke.As can be seen from the above description, the collector current changes in the circuit arrangement according to the invention when applying a magnetic field; the output signal obtained is a voltage that passes through the intersection of the collector current characteristic is defined with the load resistance line; the change in the output signal corresponds to the movement of the intersection when the magnetic field strength changes.

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Claims

(Jl)) Device for determining a magnetic field, characterized in that a semiconductor element is provided with a semiconductor substrate, in which a first area is formed, into which carriers are injected, furthermore a second and a third area with a surface layer in between Form (boundary layer) for receiving the carrier that further devices for supplying a current between the first and second area and an output circuit for determining a current of the third area are provided.

2.) Device according to claim 1, characterized in that. that the distance between the first and third areas is greater than is the carrier diffusion length.

3>) Device according to claim 1 »characterized in that the output circuit is switched between the second and third area is.

¹ I.) Device according to claim 3, characterized in that the output circuit contains a resistor.

5 ·) Device according to claim 1, characterized in that the first and third areas have the same conductivity type exhibit.

6.) Device according to claim 1, characterized in that the second region is in ohmic contact with the substrate.

7.) Device according to claim 1, characterized in that the substrate has an impurity concentration of 10 to Atoms / cm ^ possesses

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8.) Device according to claim 1, characterized in that the substrate has the I-type ("intrinsic").

9.) Device according to claim 1, characterized in that the distance between the first and second regions is greater than the carrier diffusion length.

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