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Magnetfeldfühle r-Halble it ervo rr i chtung Die Erfindung bezieht
sich auf einen hochempfindlichen Magnetfeldfühlertransistor für integrierte Schaltungen
und insbesondere auf eine sehr empfindliche Nagnetfeldfühler-Halbleitervorrichtung,
bei der der Fühler auf einem kleinen integrierten Schaltungsplättchen zusammen mit
den übrigen Teilen der Elektronik angebracht werden kann.
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In der Technik ist das Problem, schwache Magnetfelder mit einem kompakten
Fühler festzustellen, bekannt. Zur Lösung dieses Problems sind viele Versuche unternommen
worden, bei denen ein Magnetfeldfühler mit einer zusätzlichen externen Elektronik
zum Verstärken, Feststellen und Weiterverarbeiten des Signals verwendet wurde. Für
diese Funktion sind bisher auch andere Arten yon Fühlern verwendet worden, wie Hall-Nagnetwiderstandsfühler
oder für Magnetfelder empfindliche Dioden. Diese anderen Arten von Fühlern sind
im allgemeinen nicht besonders empfindlich für vorhandene schwache Magnetfelder.
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Nach der Erfindung sind auf einer kleinen integrierten Schaltung ein
hochempfindlicher Magnetfeldfühler und die zugehörige Elektronik angebracht, so
daß sich eine kleinere, wirtschaftlicheze und zuverlässigere Anordnung ergibt. Nach
der Erfindung wird ein lateraler Transistor geschaffen, der in der bevorzugten Ausführung
ein PNP-Transistor ist, doch kann natUrlich auch ein Transistor mit dem äquivalenten
NPN-Aufbau verwendet werden. Der laterale Transistor enthält eine durch eine Basiszone
von zwei Kollektorzonen getrennte Emitterzone, wobei der Transistor so ausgeführt
ist, daß die von der Emitterzone zu Jeder der Kollektorzonen fliessenden Normalströme
gleich groß sind. Die Ebene das Transistors ist vorzugsweise senkrecht zur Richtung
des Magnetfeldes angebracht, so daß Jeder MagnetlZuR in dem Feld eine maximale Stromablenkung
von einer der Kollektorzonen ziranderen bewirkt. Der zu den Kollektorzonen fliessende
Strom wird gemessen, und die Abweichung dieses Stroms zwischen den Kollektorzonen
gibt die Größe und die Richtung des Magnetfeldes an.
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In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Emitterzonen
und in entsprechender Weise mehrere Kollektorzonenpaare in einer vorbestimmten geometrischen
Anordnung vorgesehen, wobei die einzelnen Kollektorzonen Jedes Paars miteinander
verbunden sind. Diese Ausführungsform ergibt eine noch größere Empfindlichkeit für
ein Magnetfeld, Mit Hilfe der Erfindung soll ein an eine integrierte Schaltung angepaßter
Magnetfeldfühlertransistor geschaffen werden. Der mit Hilfe der Erfindung zu schaffende
Magnetfeldfühlertransistor fUr integrierte Schaltungen soll eine
hohe
Empfindlichkeit aufweisen.Ferner soll er als Teil einer vollständigen integriertenEbhaltung
hergestellt werden können. Er soll auch kleiner, wirtschaftlicher und zuverlässiger
sein als es bisher bei bekannten Anordnungen dieser Art der Fall war. Der mit Hilfe
der Erfindung zu schaffende #agnetfeldfühlertransistor soll bei einer ausgezeichneten
Anpassung der thermischen und elektrischen Eigenschaften mit integrierten Schaltungen
vollkommen kompatibel sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild eines PNP-Magnetfeldfühlertransistors nach der
Erfindung, Fig.2 ein Schaltbild des Transistors von Fig.1 mit Strom lastwiderständen
zum Bestimmen einer Spannungsdifferenz, Fig.3 ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform
eines Magnetfeldfithlertransistars nach der Erfindung mit vier Emitterzonen und
acht Kollektorzonen, Fig.4 ein Diagramm eines als Feldeffekttransistor ausge# führten
Magnetfeldfühlertransistors nach der Erfindung, Fig.5 ein Schaltbild der A#fUhrungsform
von Fig.4 mit hinzugefügten Lastwiderständen und Fig.G ein Diagramm, das die Verwendung
eines MOS-Feldeffekttransistors zur Bildung eines Magnetfeldfühler transistors nach
der Erfindung zeigt.
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In Fig.1 ist ein lateraler PNP-Transistor mit einer vollkommen eingebetteten
Schicht mit mehreren Kollektoren 1 und 3, einem Emitter 5 und einer Basis -7 dargestellt.
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Die vollkommen eingebettete Schicht 9 liegt zwischen einer N-leitenden
epitaxialen Schicht 11 und einem P-leitenden Substrat 13. Ein isolierender Bereich
aus P-leitendem Material 15 umgibt die N-leitende Schicht 11, und sie erstreckt
sich zur P-leitenden Schicht 13. Der Transistor ist so ausgelegt,daß die vom Emitter
5 zu Jedem der Kollektoren 1 und 3 fliessenden Ströme unter normalen Umständen gleich
sind. Der Transistor wird dann so angebracht, daß ein ihn durchdringendes Magnetfeld
senkrecht zur Oberfläche 17 des Transistors und damit senkrecht zum Stromweg vom
Emitter zu den Kollektoren verläuft. Es ist zu erkennen, daß die Magnetfelder dadurch
festgestellt werden, daß ein Teil des Stroms von einem der Kollektoren zum anderen
Kollektor umgelenkt wird, so daß seine Ungleichheit der von den zwei Kollektoren
empfangenen Ströme entsteht. Diese Ungleichheit kann durch verschiedene Anordnungen
beobachtet werden, von denenieine in der Schaltung von Fig.2 angegeben ist. Aus
Fig.2 ist zu erkennen, daß der Strom in Jedem der Kollektoren 1 und 3 einen Lastwiderstand
19 bzw. 21 durchläuft, so daß an diesen Widerständen eine Spannung abfällt. Diese
Spannung kann dann bei Vdiff in einem Differenzverstärker oder dergleichen so festgestellt
werden, daß nicht nur die Richtung der Ungleichheit, sondern auch ihre Größe festgestellt
werden kann.
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Diesem Vorgang liegt folgende Theorie zugrunde: Wenn auf das Bauelement
ein Magnetfeld in einer zu ihm senkrechten Richtung zur Erzielung einer maximalen
Wirkung einwirkt, wobei zu bemerken ist, daß auohdie das Halbleiterplättchen durchdringenden
Komponenten des Magnetfeldes eine in einem
geringeren Ausmaß auftretende
Wirkung haben, werden die Mjnoritätsträger.(Löcher) infolge der Lorentzkraft abgelenkt.
Dies führt zu einer feststellbaren Spannung differenz infolge der Ungleichheit der
Kollektorströme.
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Die Lorentzkraft kann durch die bekannte Gleichung F=q(vwB) angegeben
werden, in der v die Trägergeschwindigkeit ist, während B der Magnetfluß ist. Die
Geschwindigkeit der Träger kann aus der Gleichung va P k µEK berechnet werden, in
der# P die Minoritätsträgerbeweglichkeit im Halbleiterkörper,2 die elektrische Feldstärke
und K eine von Null abweichende Konstante in der Größenordnung von 1 ist.
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Diese Konstante wird zur Berücksichtigung von zwei Effekten verwendet
nämlich daß die Beweglichkeit an der Oberfläche nicht gleich der Beweglichkeit im
Halbleiterkörper ist und daß die Hall-Beweglichkeit nicht gleich der Leitfähigkeitsbeweglichkeit
ist. Diese Oberflächenbeweglichkeit ist wichtig, da die wirksamste Sammlung in der
Nähe der Oberfläche stattfinden soll ; bei der die Emitter-Kollektor-Abstände kleiner
sind.
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Die Lorentzkraft kann die Ladungsträger abhängig vom Ladungsträgertyp
und von der Polarität des Magnetfeldes von einem Kollektor zum anderen ablenken
. Diese Ungleichheit der Kollektorströme kann leicht in der oben angegebenen Weise
als Kollektorspannungsdifferenz festgestellt werden.
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Verschiedene wichtige Faktoren vergrößern die magnetische Empfindlichkeit
des Transistors.Böispielsweise soll die Basiszone schwach dotiert sein, damit eine
lange Lebensdauer der Minoritätsträger und somit lange Diffusionslängen erzielt
werden. Diese Bedingung wird mit einer epitaxialen Schicht mit einem spezifischen
Widerstand von 4 bis 7 Ohm.cm erfüllt. Eine zweite Bedingung besteht darin, den
größtmöglichen Anteil des Kollektorstroms für das Magnetfeld
empfindlich
zu machen,Dies kann auf Kosten der Strom-Verstärkung erreicht werden, doch ergibt
sich eine Erhöhung der magnetischen SmpSindlichkeit. Ferner ist es erwünscht, daß.
das Magnetfeld senkrecht zu der(nicht dargestellten) Grenzfläche zwischen Silizium
und Siiiziumdioxid verläuft.Außerdem sind mehrere Emitter mit Jeweils zwei Kollektoren
für Jeden Emitter ~erwünscht. Die Kollektoren entsprechender Stellen sind miteinander
verbunden, wie im Zusammenhang mit Fig.3 erläutert wird, Fig.3 ist ein Magnetfühlertransistor
mit vier Emittern E und mit zwei , Jedem des Emitter zugeordneten Kollektoren cl
und C2 dargestellt. Die: Emitter sind jeweils um 900 voneinander entfernt angebracht,
und die Jedem Emitter zugeordneten Kollektoren sind Jeweils mit gleich bezeichneten,
den anderen Emittern zugeordneten Kollektoren verbunden. Die Basiszonen B und die
Kollektorzonen sind so geformt, daß Strom von einem Emitter zu seinen zugeordneten
Kollektoren direkt gelenkt wir#d un#d daß ein Abfließen von einem Emitter zu anderen
Kollektorpaaren verhindert wird.
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Ein Vorteil des beschriebenen Magnetfeldfühlers ist seine hohe Empfindlichkeit.
Ferner ist er mit der Technologie der bipolaren' integrierten Schaltungen ohne Abänderung
des erforderlichen Verfahrens kompatibel. Außerdem kann das Magnetfeld senkrecht
zur Diffusionsebene des Bauelements ausgerichtet werden, so daß ein schmalerer Luftspalt
mit dem Magnet ermöglicht wird. Auch besteht die Möglichkeit, zugehörige Verstärker
und Steuerschaltungen auf dem gleichen Halbleiterplättchen mit gleichzeitig stattfindenden
Herstellungsschritten zu integrieren, so daß eine gegenseitige Abstimmung der Parameter,
Temperaturstabilität und die Ausführung mehrerer elektrischer Funktionen ohne zusätzliche
Verarbeitungsschritte ermöglicht
werden. Schließlich können der
geometrische Aufbau der Anordnungen und ihre Empfindlichkeiten flexibel gestaltet
werden, ohne daß die Diffusions- oder Herstellungsabläufe beeinflußt werden.
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Fig.4 zeigt eine MOS-Feldeffekttra-nsistorausSUhrung der Anordnung
von Fig.1 .IEr Strom fließt in diesem Fall von der Source-Rektrode 31 zu zwei Drain-Elektroden
33 und 35; der Transistor enthält auch eine Gate-Elektrode 37. Der Strom fließt
normalerweise in gleichen Größen von der Source-Elektrode 31 zu Jeder der Drain-Elektroden
33 und 35.
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Wenn ein Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche 39 des Transistors vorhanden
ist, dann wird der Strom von einer der Drain-Elektroden zur anderen abgelenkt, und
diese Stromänderung kann in der gleichen Weise festgestellt werden, wie oben in
Zusammenhang mit den Ausführungen von Fig.1 und 2 beschrieben worden ist. Nach Fig.5,
wo das Schaltbild des Transistors von Fig.4 mit Lastwiderständen 41 und 43 dargestellt
ist, wird die Spannung an den Widerständen 41 und 43 gemessen und die Differenz
wird mit Hilfe eines Differenzverstärkers oder dergleichen bestimmt, wie oben bereits
erläutert wurde. Eine größere Empfindlichkeit kann dadurch erzielt werden, daß mehrere
Drain-Elektrodenpaare parallel schaltet werden, wie im Zusammenhang mit Fig.3 oben
beschrieben worden ist.
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Eine solche Anordnung ist in Fig.6 dargestellt.
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Fig.6 zeigt einen Transistor mit einer einzigen Source-Elektrode s
in der Mitte und mit mehreren Paaren von Drain-Elektroden d1 und d2. Es ist zu erkennen,
daß eine Drain-Elektrode jedes Paares mit den entsprechenden anderen Drain-Blektroden
verbunden ist, damit eine einzige Ausgangs-Drain-#lektrode D1 und D2 entsteht.
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Es ist zu erkennen, daß mehrere Ausführungsformen von Magnetfeldfühlertransistoren
fUr integrierte Schaltungen beschrieben worden sind, die eine hohe Magnetempfindlichkeit
aufweisen und doch in integrierten Schaltungen verwendet werden können, ohne daß
die Herstdlungsschritte oder Herstellungsverfahren wesentlich verändert werden müssen.
Der hier beschriebene Magnetfeldfühlertransistor ist daher zuverlässiger als bisher
bekannte Fühler, und er ist auch billiger herzustellen.
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patentansprüche