DE2426954C3

DE2426954C3 - Halbleiteranordnung mit Hall-Elementen

Info

Publication number: DE2426954C3
Application number: DE2426954A
Authority: DE
Inventors: Johannes Hendrikus Hubertus Eindhoven Janssen (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-06-18
Filing date: 1974-06-04
Publication date: 1980-08-21
Also published as: DE2426954A1; FR2233718B1; ATA496474A; BE816526A; SE7407889L; AT351598B; NL170069C; US4123772A; BR7404876D0; IT1015088B; SE386312B; ES427289A1; DE2426954B2; CA1012257A; JPS5037397A; AU7006474A; CH574680A5; NL7308409A; GB1474812A; NL170069B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der eine Anzahl von Hall-Elementen mit schichtförmigen, sich parallel zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckenden Hall-Körpern enthält, welche Hall-Körper jeweils mit einem Stromzufluß- und einem Stromabflußkontakt, über die ein Strom in lateraler Richtung durch den Hall-Körper fließen kann, und mit mindestens einem Hall-Kontakt zur Entnahme elektrischer Hall-Signale, die im Hall-Körper mit Hilfe eines Magnetfeldes erzeugt werden können, versehen sind, bei der sowohl die Stromzuflußkontakte als auch die Stromabflußkontakte und die Hall-Kontakte jeweils elektrisch miteinander verbunden sind und bei der die Hall-Elemente verschiedene Hauptstromrichtungen aufweisen.

Eine Halbleiteranordnung der beschriebenen Art ist bereits in der DE-PS 23 26 731 vorgeschlagen worden.

b^r Hall-Elemente werden vielfach, insbesondere in kollektorlosen Elektromotoren, verwendet, wobei der Strom durch die Wicklungen abwechselnd mit Hilfe einer oder mehrerer mit Hall-Elementen gesteuerten

Schaltungen ein- und ausgeschaltet wird. Weiter werden derartige Halbleiteranordnungen in Verstärkerschaltungen mit einem vom Hall-Element regelbaren Verstärkungsfaktor und für verschiedene andere Zwekke, z. B. als kontaktlose Schalter, verwendet

Der Körper eines Hall-Elements weist in bekannten Anordnungen meistens eine annähernd rechteckige Form auf und enthält zwei Stromkontakte zum Zu- und Abführen eines durch den Hall-Körper zu schickenden Stromes und mindestens einen, aber meistens zwei Hall-Kontakte, die zwischen diesen Stromkontakten liegen und dazu dienen, ein von einem Magnetfeld im Hall-Körper quer zu der Stromrichtung erzeugtes Signal zu entnehmen.

Dabei ist es aus der DE-OS 17 90 055 bekannt, den Hall-Körper als Insel in einer epitaktischen Schicht eines Halbleiterkörpers, die auch weitere Schaltungselemente enthalten kann, auszubilden.

Für die praktische Anwendung von Anordnungen mit einem Hall-Element der beschriebenen Art ist die Nullspannung (= Regelabweichung) des Hall-Elements von besonderer Bedeutung. Unter diesem Ausdruck ist die Erscheinung zu verstehen, daß im Betriebszustand das Hall-Signal beim Fehlen eines Magnetfeldes mit einer Feldstärkekomponente senkrecht zu dem schichtförmigen Hall-Körper ungleich 0 ist. Die Nullspannung ist also die Größe der Hall-Signalspannung beim Fehlen eines Magnetfeldes. Sie kann aber auch durch die magnetische Feldstärke ausgedrückt werden, die angelegt werden muß, um die Nullspannung auf Null herabzusetzen.

Im allgemeinen wird es erwünscht sein, daß die Nullspannung des Hall-Elements möglichst klein ist, weil in vielen Anwendungen das Magnetfeld, das zum Erhalten eines bestimmten Hall-Signals benötigt wird, beim Vorhandensein einer Nullspannung größer als beim Fehlen derselben sein wird. Die infolge des Auftretens einer Nullspannung benötigten Magnetfelder können bei einer derartigen Anordnung oft 0,15 T (1500 Gauss) oder mehr betragen, was in der Praxis häufig besondere Schwierigkeiten mit sich bringt.

Eine weitere Komplikation ergibt sich aus der Tatsache, daß die Nullspannung stark von mechanischen Einflüssen, wie Druck und Biegung, und von anderen Faktoren, wie z. B. der Wärmeableitung im Hall-Element und dadurch herbeigeführten Temperaturunterschieden über den Hall-Element, abhängig ist, wodurch die Nullspannung im Betriebszustand im allgemeinen nicht konstant bleibt.

Auf verschiedene Weise wurde versucht, durch Kombination mehrerer Hall-Elemente in einer monolithischen Schaltung, also in demselben Halbleiterkörper, den Einfluß der genannten Nullspannung zu eliminieren oder wenigstens erheblich zu verringern.

So ist es z. B. aus I.B.M. Technical Disclosure Bulletin, Heft 12, Nr. 12, Mai 1970, S. 2163, bekannt, ein einem Magnetfeld ausgesetztes Hall-Element mit einem zweiten im gleichen Halbleiterkörper angeordneten Bezugs-Hall-Element zu kombinieren, das dem Magnetfeld praktisch nicht ausgesetzt ist und also nur eine Nullspannung liefert, u..c die beiden erhaltenen Hall-Signale voneinander zu subtrahieren.

Oft weisen jedoch die Magnetfelder eine solche Ausdehnung auf, daß diese Lösung nicht anwendbar ist.

Eine ganz andere Lösung wird in der eingangs genannten DE-PS 23 26 731 der Anmelderin vorgeschlagen, wobei die Tatsache benutzt wird, daß sich herausgestellt hat, daß die Nullspannung von der Stromrichtung durch den Hall-Körper abhängig ist und sich mit dem Kosinus des doppelten Winkels zwischen der Stromrichtung und einer beliebigen Bezugsachse parallel zu der Oberfläche ändert Bei dieser Halbleiteranordnung werden zwei oder mehr Hall-Elemente, die praktisch dem gleichen Magnetfeld ausgesetzt sind, zueinander parallel geschaltet wobei der Halbleiterkörper Hall-Elemente mit schichtförmigen, sich parallel zu einer Oberfläche erstreckenden Hall-Körpern enthält, bei denen die Stromzufluß-, die Stromabfluß- und die Hall-Kontakte jeweils miteinander elektrisch verbunden sind, und wobei die Stromrichtungen der Hall-Elemente verschieden sind und derart gewählt werden, daß die resultierende Nullspannung der parallelgeschalteten Hall-Elemente unterdrückt oder wenigstens verringert wird.

Dabei kann nachgewiesen werden, daß bei geeignet gewählten Winkeln wenigstens die differentielle NuII-spannungs-Komponente praktisch völlig unterdrückt werden kann. Dabei sei bemerkt, daß die Gesamtnullspannung annahmeweise aus einer differentiellen Komponente, die sich in einer Differenzspannung zwischen den beiden Hall-Kontakten eines Hall-Elements äußert, und einer sogenannten gemeinsamen Komponente zusammengesetzt ist, die sich in einer füi beide Hall-Kontakte identischen Potentialverschiebung gegenüber dem Potential beim Fehlen einer Nullspannung äußert.

Es stellt sich heraus, daß die Nullspannung stark von dem Verlauf des Flächenwiderstandes des Halbleiterkörpers (= der mittlere spezifische Widerstand geteilt durch die Schichtdicke des Hall-Körpers), abhängig ist. Dieser Flächenwiderstand kann annähernd als eine Funktion zweiter Ordnung der Koordinaten der Form

ßi=ρο + a_xx+ b\y+ a₂x² + tty² + kxy-r...

beschrieben werden. Es stellt sich nun heraus, daß bei geeignet gewählten Stromrichtungen bei der zuletzt genannten Halbleiteranordnung die differentielle NuIlspannungs-Komponente praktisch völlig unterdrückt werden kann, aber daß in der resultierenden gemeinsamen Komponente die Terme erster Ordnung, d. h. die Koeffizienten a\ und b\, des Flächenwiderstandes noch eine Rolle spielen, was in vielen Anwendungen von geringerer Bedeutung ist, aber in anderen Fällen unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Lösung zur Unterdrückung des Nullspannungs-Effekts zu schaffen, bei der sowohl eine bessere Kompensation der Nullspannung als auch eine größere Kompaktheit der Halbleiteranordnung in bezug auf die bekannten Anordnungen erreicht wird.

Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß durch eine andere Anordnung und Schaltung der zusammensetzenden Hall-Elemente nicht nur eine Unterdrückung der differentiellen Nullspannungs-Komponente, sondern auch eine sehr starke Verringerung der gemeinsamen Komponente der Nullspannung erhalten werden kann, was für verschiedene wichtige Anwendungen besonders günstig ist.

Weiter liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Kompensation der Nullspannung und insbesondere der Druckempfindlichkeit der Nullspannung um so besser ist, je näher die Hall-Elemente beieinander liegen; daß bei den bisher angewandten Lösungen die gewünschte optimale Gedrängtheit nicht genügend erhalten werden kann und daß durch Anwendung einer anderen Konfiguration und Schaltung eine erheblich

größere Gedrängtheit und damit eine bessere Nullspannungs-Unterdrückung erreicht werden kann.

Die genannte Aufgabe wird, ausgehend von einer Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art, dadurch gelöst laß die Hall-Elemente jeweils nur einen mit einem Anschlußleiter versehenen Hall-Kontakt enthalten und in mindestens zwei Gruppen von je zwei Hall-Elementen mit zueinander praktisch parallelen Hauptstromrichtungen unterteilt sind, derart, daß eine Hälfte der Hall-Kontakte die eine Polarität und die andere Hälfte die andere Polarität aufweisen, daß die Hall-Kontakte der gleichen Polarität elektrisch miteinander verbunden und mit je einem Anschlußleiter versehen sind und daß die Hauptstromrichtungen verschiedener Gruppen verschieden sind.

Unter der Hauptstromrichtung eines Hall-Elements wird hier die Richtung, von dem Stromzuflußkontakt zu dem Stromabflußkontakt gerechnet, der kürzesten Verbindungslinie zwischen den Stromkontakten verstanden.

Weiter sei bemerkt, daß unter Stromrichtung die übliche Stromrichtung von hohem zu niedrigem Potential zu verstehen ist und daß die Ausdrücke »Stromzuflußkontakt« und »Stromabflußkontakt« und »Polarität eines Hall-Kontakts« sich auf den augenblick liehen Zustand beziehen, d. h., daß z. B. beim Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Stromkontakten eines Hall-Elements jeder dieser Stromkontakte abwechselnd als Stromzufluß- und als Stromabflußkontakt wirkt.

Eine Anordnung nach der Erfindung weist u. a. den großen Vorteil auf, daß nicht nur die differentielle Nullspannung praktisch völlig unterdrückt werden kann, sondern daß auch die gemeinsame Komponente der Nullspannung in einer Anordnung nach der Erfindung auf eine Abhängigkeit von nur einem Term zweiter Ordnung des Flächenwiderstandes herabgesetzt werden kann, der meistens von geringerer Bedeutung als die Terme erster Ordnung sein wird.

Ein sehr wichtiger Vorteil der Anordnung nach der Erfindung ist noch der, daß die Anordnung es ermöglicht, Hall-Elemente zu verwenden, die alle in demselben Halbleiterkörper ohne Trennisolierung untergebracht sind. Dadurch wird eine sehr gedrängte Bauart möglich, die außer einer erheblichen Raumersparung eine viel bessere Unterdrückung der Druckempfindlichkeit der Nullspannung gestattet. Es stellt sich nämlich heraus, daß die Nullspannung zu einem großen Teil durch Ungleichmäßigkeiten im Halbleiterkörper herbeigeführt wird, die den bereits genannten allmählichen Verlauf im Flächenwiderstand des Halbleiterkörpers über einen verhältnismäßig großen Teil des Körpers veranlassen. Derartige Ungleichmäßigkeiten können durch verschiedene Faktoren herbeigeführt werden, wie durch Dotierungs- und Dickenunterschiede in dem schichtförmigen Halbleiterkörper, durch Temperaturänderungen, aber auch durch mechanische Spannungen, die z. B. infolge der Umhüllung auftreten können.

Da, wie bereits erwähnt wurde, der Verlauf des Flächenwiderstandes infolge dieser Ungleichmäßigkeiten über ein gewisses Gebiet des Körpers praktisch gleich ist, kann innerhalb eines derartigen Gebietes eine Kompensation der Nullspannung dadurch erhalten werden, daß durch Ströme in verschiedenen Richtungen herbeigeführte Hall-Signale miteinander kombiniert werden. Indem Ströme in verschiedenen Richtungen durch denselben Halbleiterkörper geschickt werden, der verhältnismäßig klein gehalten werden kann, werden die Koeffizienten in der genannten Gleichung für den Verlauf des Flächenwiderstandes über den wirksamen Teil des Halbleiterkörpers praktisch gleich bleiben, wodurch eine starke Korrelation zwischen der Nullspannung der Hall-Elemente und somit eine sehr gute Kompensation insbesondere der Druckempfindlichkeit der Nullspannung erreicht wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Gruppe die beiden Hall-Elemente entgegengesetzte Hauptstromrichtungen und Hall-Kontakte gleicher Polarität aufweisen Diese bevorzugte Weiterbildung bietet, wie nachstehend näher beschrieben wird, die Möglichkeit zur Bildung einer sehr einfachen Struktur mit nur vier Hall-Elementen, für die eine große Kompaktheil erhalten werden kann.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung mit der eine sehr gute Nullspannungs-Unterdrückung erreicht werden kann, weisen von jeder Gruppe die beiden Hall-Elemente gleiche Hauptstromrichtungen und Hall-Kontakte mit entgegengesetzter Polarität auf. Die Anzahl der Hall-Elemente sollte dabei mindestens sechs betragen.

Um eine möglichst zweckmäßige Nullspannungs-Un terdrückung zu erreichen, weisen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Hall-Elemente mit Hall-Kontakten gleicher Polarität Hauptstromrichtungen auf, bei denen die Summe der Kosinusse des Zweifachen des Winkels zwischen jeder Hauptstromrichtung und einer beliebigen Bezugsachse parallel zu der Oberfläche praktisch gleich Null ist. In diesem Falle kann eine praktisch vollständige Unterdrückung auch der gemeinsamen Komponente der Nullspannung erreicht werden.

Die Hall-Elemente können als einzelne Elemente in einer monolithischen integrierten Schaltung miteinander verbunden sein. Es wird jedoch im Zusammenhang mit Obenstehendem klar sein, daß die Vorteile der Erfindung insbesondere dann hervortreten, wenn.

gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, alle Hall-Elemente einen gemeinsamen Hall-Körper aufweisen.

Von besonderem Interesse, vor allem bei Anwendung eines Hall-Elements nach der Erfindung in integrierten Schaltungen, ist eine Weiterbildung der Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Halbleiterkörper ein Substrat von einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine auf dem Substrat liegende epitaktische Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthält, und daß der Hall-Körper durch einen inselförmigen Teil der epitaktischen Schicht gebildet wird, der von einer Isolierzone umgeben ist, die diesen Teil elektrisch gegen der übrigen Teil der epitaktischen Schicht isoliert. Der inselförmige Hall-Körper kann dabei verschiedene Formen aufweisen. Eine Weiterbildung der Erfindung die eine optimale Möglichkeit zur Nullspannungs-Unterdrückung sowie eine sehr kompakte Konfiguration ergibt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkontakte auf dem Hall-Körper an den Eckpunkten eines ersten regelmäßigen Vielecks angeordnet sind, wobei rings herum von Stromkontakt zu Stromkontaki gehend, jeder Siromzuflußkontakt zwischen zwei Stromabflußkontakten liegt, und daß die Hall-Kontakte an den Eckpunkten eines zweiten regelmäßiger Vielecks angeordnet sind, das die gleiche Anzahl Eckpunkte wie das erste Vieleck aufweist und das zu dem ersten Vieleck konzentrisch ist Dabei kann, gemäG einer Weiterbildung der Erfindung, zum Erhalten einer optimalen Nullspannungs-Unterdrückung das zweite

Vieleck zu dem ersten Vieleck symmetrisch angeordnet sein. Es sei aber bemerkt, daß es sich unter gewissen Bedingungen als zweckdienlich erweisen kann, die beiden konzentrischen Vielecke etwas asymmetrisch zueinander anzuordnen. Dadurch kann für bestimmte Anwendungen eine Nullspannung mit festem Wert erhalten werden, die jedoch praktisch keine Druckempfindlichkeit aufweist.

Obwohl dies in gewissen Fällen nicht notwendig ist, sind, gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, bei to Anwendung eines gemeinsamen Hall-Körpers von den Strom- und Hall-Kontakten wenigstens die Hall-Kontakte am Rande des Hall-Körpers angeordnet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, bei der ein gemeinsamer Hall-Körper sehr geringer Abmessungen mit nur vier Hall-Elementen Anwendung finden kann, liegen die Hall-Kontakte an den Eckpunkten eines Quadrates und die Stromkontakte befinden sich praktisch auf der Mitte der Seiten dieses Quadrates. Auch die komplementäre Konfiguration, bei der die Stromkontakte an den Eckpunkten eines Quadrates liegen und sich die Hall-Kontakte praktisch auf der Mitte der Seiten dieses Quadrates befinden, kann vorteilhaft angewandt werden.

Die Anwendung von mehr als zwei Stromkontakten und mehreren Hall-Elementen weist neben den sich daraus ergebenden Vorteilen auch den Nachteil auf, daß bei einem gleichen Magnetfeld zum Erhalten eines Hall-Signals mit gleicher Größe wie bei einem einfachen Hall-Element mehr Strom benötigt wird. Um diesen Nachteil zu verringern, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Rand des Hall-Körpers mit Einkerbungen versehen, die sich zwischen den Strom- und Hall-Kontakten erstrecken. Sie führen durch Herabsetzung der Querschnitte der verfügbaren Stromwege zu einer erheblichen Beschränkung der Gesamtstromstärke.

Wie oben bereits bemerkt wurde, ist eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung besonders geeignet zur Anwendung in integrierten Schaltungen, so daß eine Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Hall-Körper durch einen isolierten Teil einer epitaktischen Schicht gebildet wird, in dem sich alle Hall-Elemente befinden, und daß in der epitaktischen Schicht weitere Halbleiterschaltungselemente an gebracht sind.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Draufsicht auf einen Teil eines Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung.

F i g. 2 schematisch einen Querschnitt längs der Linie H-II durch die Anordnung nach Fig. 1,

F i g. 3 und 4 schematisch eine Draufsicht auf die Hall-Eiemente der Anordnung nach den F i g. 1 und 2 in zwei verschiedenen Schaltungen,

Fig.5 schematisch eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der Hall-Elemente,

F i g. 6 schematisch eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Hall-Elemente, &o

Fig.7 schematisch eine Draufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform der Hall-Elemente und

F i g. 8 eine Draufsicht auf eine integrierte Schaltung, die Hall-Elemente nach F i g. 5 enthält.

Der Deutlichkeit halber sind die Figuren schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet Entsprechende Teile sind in den Figuren im allgemeinen mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In der Draufsicht nach F i g. 1 sind Metallschichten, die die Verbindungen bilden, schraffiert dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf und F i g. 2 schematisch einen Querschnitt längs der Linie 11-11 durch ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung. Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper aus Silicium, der aus einem Substrat 22 aus p-leitendem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von etwas 3 Ω · cm und einer darauf angewachsenen epitaktischen Schicht 23 aus η-leitendem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1,5 Ω ■ cm und einer Dicke von etwa 10 μιη besteht.

Ein inselförmiger Teil 23/4 der epitaktischen Schicht ist durch eindiffundierte p-leitende Zonen 24 auf übliche Weise gegen den übrigen Teil der üalbleiterschicht isoliert und bildet einen schichtförmigen Hall-Körper, der mit Stromkontakten, über die ein Strom in lateraler Richtung, d. h. in einer Richtung praktisch parallel zu der Oberfläche 9, durch den Hall-Körper 23,4 fließen kann, und mit Hall-Kontakten zur Entnahme elektrischer Hall-Signale, dje im Hall-Körper 23,4 mit Hilfe eines Magnetfeldes B (siehe Fig. 2) erzeugt werden können, versehen ist. Diese Kontakte (in Fig. 1 die Kontakte 1—8) sind derart angeordnet, daß die Kontakte 1, 3, 5 und 7 ein Quadrat bilden und daß die Kontakte 2, 4, 6 und 8 sich praktisch auf der Mitte der Seiten dieses Quadrats befinden. Sie können vorteilhaft derart geschaltet werden, daß die Kontakte 2, 4, 6 und 8 als Stromkontakte und die Kontakte 1, 3, 5 und 7 als Hall-Kontakte dienen, aber sie können auch derart geschaltet werden, daß die Kontakte 1, 3, 5 und 7 als Stromkontakte und die Kontakte 2, 4, 6 und 8 als Hall-Kontakte dienen.

Der Halbleiterkörper ist an der Oberfläche 9 mit einer Isolierschicht 18, z. B. aus Siliciumdioxid, überzogen, in der sich Kontaktfenster oberhalb der Kontakte 1—8 befinden. Die genannten Kontakte sind über Metallschichten 10,11,12 und 13 z. B. Aluminiumschichten, die in F i g. 1 schraffiert dargestellt sind und sich auf der Isolierschicht 18 erstrecken, angeschlossen und in diesem Beispiel mit metallenen Anschlußflächen 14,15, 16 und 17 verbunden, auf denen Anschlußdrähte, z. B. Golddrähte, angebracht werden können. Statt dessen können namentlich die sich an die Hall-Kontakte anschließenden Metallschichten mit anderen Schaltungselementen einer monolithischen integrierten Schaltung, von der die Hall-Elemente einen Teil bilden, z. B. mit der Basis eines Transistors verbunden sein, z. B. des Transistors, von dem in F i g. 1 und 2 die p-leitende Basiszone 19 und die η-leitende Emitterzone 20 dargestellt sind. Es sei weiter bemerkt, daß die Isolierung der Insel HA hier mittels einer p-leitenden Zone 24 erhalten wird, aber das in der Praxis die Zone 24 auch vorteilhaft aus einer wenigstens teilweise in den Halbleiterkörper versenkten Zone aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. thermischem Siliciumdioxid, oder aus einer Nut bestehen kann, die sich über die ganze Dicke der Schicht 23 erstreckt und gegebenenfalls mit Isoliermaterial, z. B. isolierendem polykristallinem Silicium, ausgefüllt ist.

Die Halbleiteranordnung enthält eine Anzahl m, in diesem Falle vier, Hall-Elemente, die in dem Hall-Körper 23/4 untergebracht sind. Wenn die Kontakte 2, 4, 6 und 8 als Stromkontakt und die Kontakte 1,3,5 und 7 als Hall-Kontakte verwendet werden, sind diese Hall-Elemente aus dem Hall-Körper 23/4 und nacheinander den Kontakten (2, 3, 4), (4, 5, 6), (6, 7, 8) und (8, 1, 2) aufgebaut. Wenn ein konventioneller (von positivem zu

negativem Potential verlaufender) Strom den miteinander verbundenen Kontakten 2 und 6 zugeführt und über die ebenfalls miteinander verbundenen Kontakte 4 und 8 abgeführt wmd, werden unter der Einwirkung des Magnetfeldes B die miteinander verbundenen Hall-Kontakte 1 und 5 ein praktisch gleiches Hall-Potential der einen Polarität und die ebenfalls miteinander verbundenen Hall-Kontakte 3 und 7 ein praktisch gleiches Hall-Potentiaj der anderen Polarität annehmen. Die Hall-Elemente sind in zwei Gruppen unterteilt (2,3, 4; 6, 7, 8) und (2, I₁ 8; 6, 5, 4), die aus je zwei Hall-Elementen mit praktisch parallelen Hauptstromrichtungen (Verbindungslinien zwischen den Kontakten 2 und 4, 4 und 6, 6 und 8 sowie 8 und 1) bestehen, wobei die Hauptstromrichtungen von 2-»4 und 6->8 der einen Gruppe einen Winkel von 90° mit den Hauptstromrichtungen 2-* 8 und 6-»4 der anderen Gruppe einschließen. Nach Obenstehendem weisen die Hall-Kontakte 1 und 5 die eine Polarität und weisen die Hall-Kontakte 3 und 7 der anderen Gruppe die andere Polarität auf, während die Hall-Kontakte gleicher Polarität miteinander verbunden und mit je einem Anschlußleiter versehen sind. In diesem Beispiel weisen die beiden Hall-Elemente jeder Gruppe, z. B. (2, 3, 4) und (6, 7, 8), parallele, aber entgegengesetzte Haupt Stromrichtungen (2— 4 — 4 und 6 — 8) auf, während die zugehörigen Hall-Kontakte 3 und 7 die gleiche Polarität haben.

In der Anordnung nach den F i g. 1 und 2 können auch z. B. die Kontakte 1 und 5 als Stromzuflußkontakte und die Kontakte 3 und 7 als Stromabflußkontakte verwendet werden. Die Kontakte 2,4,6 und 8, die in der Mitte der Seiten des Quadrates 1-3-5-7 liegen, sind dann die Hall-Kontakte, und auch in diesem Fall bilden die Hall-Elemente zwei Gruppen (1,2,3; 5,6, 7) und (3,4,5; 7, 8, 1) von je zwei Hall-Elementen mit parallelen, aber entgegengesetzten Hauptstromrichtungen, wobei die Hall-Kontakte 2 und 6 die eine Polarität und die Hall-Kontakte 4 und 8 die andere Polarität aufweisen.

In beiden Fällen sind die Stromkontakte auf dem Hall-Körper an den Eckpunkten eines ersten regelmäßigen Vielecks, in diesem Fall eines Quadrats, angeordnet, wobei, rings herum von Stromkontakt zu Stromkontakt gehend, jeder Stromzuflußkontakt zwischen zwei Stromabflußkontakten liegt, während die Hall-Kontakte an den Eckpunkten eines zweiten Quadrats angeordnet sind, das zu dem ersten Quadrat konzentrisch ist und zu dem ersten Quadrat symmetrisch angeordnet ist. Die Hall-Kontakte sind am Rande des H all-Körpers angeordnet.

In der Praxis stellt sich heraus, daß die Anordnung nach den F i g. 1 und 2 eine sehr gute Unterdrückung der Nullspannung und insbesondere eine sehr gute Unterdrückung der Druckempfindlichkeit der Nullspannung in den beiden oben beschriebenen Schaltungen liefert. Die Abmessungen des Hall-Körpers 23Λ sind sehr gering, und zwar 200 χ 200 μπι, was darauf zurückzuführen ist, daß die Hall-Elemente nicht voneinander getrennt und ihre Strombahnen eigentlich mehr oder weniger miteinander verflochten sind. Dadurch ist in der angenäherten Gleichung für den Flächenwiderstand

Qs = ρο + ajx+b\y+ a₂x² + biy² + kxy+...

der Wert der Koeffizienten a, b, und k über den ganzen Hall-Körper praktisch gleich. Aus diesem Grunde kann das obengenannte günstige Ergebnis vermutlich auf folgende Weise erklärt werden.

In F i g. 3 sind die Hall-Elemente nach F i g. 1 schematisch gemäß einer der beschriebenen Schaltungsmöglichkeiten und in Fig.4 gemäß der anderen Schaltungsmöglichkeit dargestellt. In beiden Fällen sind die x- und /-Achsen gemäß den Hauptstromrichtungen in den Elementen gewählt. Die miteinander verbundenen Stromzuflußkontakte sind mit + und die ebenfalls miteinander verbundenen Stromabflußkontakte sind mit - bezeichnet, während Hall-Kontakte gleicher Polarität mit weißen bzw. schwarzen Kreisen angedeutet und die Hall-Anschlüsse der Anordnung mit H\ und Hi bezeichnet sind, Die Aufmerksamkeit sei darauf gelenkt, daß in den Fig.3, 4, 6 und 7 der Deutlichkeit halber die elektrische Verbindung zwischen den Stromzuflußkonlakten ( + ) und die zwischen den Stromabflußkontakten (—) weggelassen sind.

Wenn nun der Flächenwiderstand sich gleichmäßig von hoch zu niedrig in der x-Richtung ändert, während er in der y-Richtung konstant bleibt, wird im Falle der Fig. 3 der Hall-Kontakt 2 ein niedrigeres und der Hall-Kontakt 6 ein entsprechend höheres Potential infolge des Termes erster Ordnung a\x in der Gleichung erhalten. Die resultierende Nullspannung an dem Hall-Anschluß W, wird also in dem Term erster Ordnung 0 sein, während diese Widerstandsänderung in der x-Richtung auf dem Hall-Anschluß H₂ keiner. Einfluß ausübt. Auf analoge Weise ist ersichtlich, daß der Term erster Ordnung b\y keinen Einfluß auf die Nullspannung ausübt. Aus Symmetriegründen läßt sich verstehen, daß die Terme zweiter Ordnung a₂x² und fax²

3u keinen Einfluß ausüben. Um den Einfluß des Termes zweiter Ordnung kxy zu prüfen, sei z. B. angenommen, daß der Flächenwiderstand von einem höheren Wert in den Quadranten der Kontakte 3 und 7 auf einen niedrigeren Wert in den Quadranten abnimmt, in denen

κ sich die Kontakte 1 und 5 befinden. Dadurch verschieben sich sowohl die Potentiale der Kontakte 2 und 6 als auch die Potentiale der Kontakte 4 und 8 in positivem Sinne. Die dadurch herbeigeführte gemeinsame Komponente der Nullspannung ist aber nur von dem Term zweiter Ordnung kxy abhängig.

Die Erklärung für den Fall nach F i g. 4 ist völlig analog und führt zu dem gleichen Ergebnis.

Es leuchtet ein, daß die an Hand der Fig. 1 bis 4 beschriebenen Anordnungen mehr Strom als ein einziges Hall-Element oder zwei parallelgeschaltete Hall-Elemente mit demselben Abstand zwischen den Stromkontakten und demselben Flächenwiderstand des Hall-Körpers wie die beschriebene Anordnung verbrauchen. Um die verbrauchte Leistung zu beschränken, können, wie in F i g. 5 schematisch angegeben ist, Einkerbungen 21 am Rande des Hall-Körpers vorgesehen werden, die sich zwischen den Strom- und Hall-Kontakten erstrecken. Es stellt sich in der Praxis in der Tat heraus, daß auf diese Weise der Stromverbrauch erheblich beschränkt werden kann, während dennoch die Vorteile der Anordnung völlig oder größtenteils erhalten bleiben. Die Einkerbungen brauchen naturgemäß nicht die in F i g. 5 dargestellte Form aufzuweisen, sondern können auch eine andere Form haben.

Es stellt sich heraus, daß die Anordnung nach den F i g. 1 und 2 (die auch auf die in F i g. 5 dargestellte Weise ausgeführt sein kann) verschiedene Empfindlichkeiten liefert, je nachdem die Schaltung nach Fig.3 oder die Schaltung nach F i g. 4 verwendet wird. Es zeigt sich, daß in der Schaltung nach F i g. 4, wie sich erwarten ließ, der Stromverbrauch hoch ISt₁ aber daß bei Anwendung desselben Magnetfeldes B die Empfindlichkeit auch größer ist, und zwar daß die Empfindlichkeit

proportional mit dem Stromverbrauch zunimmt. Ein besonders interessanter Vorteil einer solchen Anordnung ist also der, daß bei denselben Hall-Elementen durch Vertauschung der Funktionen der Strom- und Hall-Kontakte die Empfindlichkeit der Hall-Elemente erheblich geändert werden kann.

In den Anordnungen nach den Fig. 1 bis 5 sind die Strom- und Hall-Kontakte an den Eckpunkten eines Quadrates angeordnet. Auch andere Vierecke, z. B. eine Raute oder ein anderes Parallelogramm, können verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Hall-Elemente in Gruppen von zwei zueinander parallelen Elementen unterteilt werden können. Die Nullspannungs-Unterdrückung ist dann aber in der Regel nicht optimal. Auch Vielecke mit einer (geraden) Anzahl Ecken von mehr als vier können verwendet werden, wobei jedoch die Anzahl Stromkontakte und somit der Stromverbrauch stets zunimmt. Dies kann aber in gewissen Fällen durch zusätzliche Vorteile ausgeglichen werden. Beispielsweise zeigt F i g. 6 schematisch eine Draufsicht auf eine Anordnung mit einem Hall-Körper 30 mit sechs Hall-Elementen, deren Hauptstromrichuingen mit Pfeilen angegeben sind, wobei die Stromzuflußkontakte ( + ) (32, 36, 40), die miteinander verbunden sind und die ebenfalls miteinander verbundenen :> Stromabflußkontakte (-) (34, 38, 42) sich an den Eckpunkten eines regelmäßigen Sechsecks befinden, während die Hall-Kontakte der einen Polarität (31, 35, 39) und der anderen Polarität (33, 37, 41) sich an den Eckpunkten eines anderen zu dem ersten Sechseck konzentrischen und zu diesem symmetrisch angeordneten Sechsecks befinden. Diese Anordnung setzt sich aus drei Paaren von Hall-Elementen zusammen, von denen jedes Paar aus zwei Komponenten (z. B. [40, 41, 42] und [36, 35, 34]) besteht, deren Hauptstromrichtungen im js Gegensatz zu dem vorhergehenden Beispiel einander gleich sind und deren Hall-Kontakte 41 und 35. ebenfalls im Gegensatz zu dem vorhergehenden Beispiel, entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Hall-Kontakte der gleichen Polarität sind in dieser Figur auch auf gleiche Weise dargestellt. Die Anordnung nach F i g. 6 weist den Vorteil auf, daß die gemeinsame Komponente der Nullspannung, die in r*en Anordnungen nach den F i g. 1 bis 5 noch als Term zweiter Ordnung vorhanden war, hier auch völlig unterdrückt wird, weil hier die Hall-Elemente mit Hall-Kontakten gleicher Polarität (z.B. [32, 31, 42], [34, 35, 36] und [38, 39, 40]) Hauptstromrichtungen aufweisen, die Winkel von 120° miteinander einschließen und dadurch der Bedingung entsprechen, daß die Summe der Kosinusse des Zweifachen des Winkels zwischen jeder Hauptstromrichtung und einer beliebigen Bezugsachse parallel zu der Oberfläche praktisch gleich Null ist, wie sich leicht feststellen läßt. Diese Bedingung steht mit der Tatsache im Zusammenhang, daß sich die Nullspannung sinusförmig mit dem Zweifachen des genannten Winkels ändert (siehe in diesem Zusammenhang auch die vorerwähnte DE-PS 2 32 673.

Es ist nicht notwendig, daß die Hall-Elemente, wie in den bisher beschriebenen Anordnungen, sich überlappende Strombahnen aufweisen. Auch mit Hall-Elementen, deren Strombahnen praktisch völlig voneinander getrennt sind, läßt sich ein Ausführungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung erhalten. Siehe z. B. F i g. 7, die eine Anordnung zeigt die nahezu gleich der nach den F i g. 1 und 2 ist, nur mit dem Unterschied, daß die Hall-Elemente getrennte Strombahnen aufweisen, weil der Hall-Körper 23A, der auf der Außenseite von dem Isoliergebiet 24S begrenzt ist, in vier Gebiete mit voneinander getrennten Strombahnen durch das Isoliergebiet 24/4 unterteilt ist. Es ist jedoch darauf zu achten, daß die Hall-Kontakte nicht symmetrisch zu den Rändern der Hall-Elemente, zu denen sie gehören, angeordnet sind, weil sona kein oder nur ein sehr kleines Hall-Signal entnommen werden kann. Dera-tige zusätzliche Isoliergebiete 24Λ können unter Umständen vorteilhaft sein, indem der Stromverbrauch geringer ist. Es ist einleuchtend, daß die Hall-Elemente nicht, wie in Fig. 7, miteinander zusammenzuhängen brauchen, sondern auch im Halbleiterkörper gegeneinander isoliert und dort leitend miteinander verbunden sein können. Dies beansprucht aber Raum. Die Hall-Elemente müssen aber durch Teile desselben Halbleiterkörpers gebildet werden, weil sonst die gegenseitige Korrelation der Nullspannungen, auf die sich die Erfindung gründet, nicht vorhanden ist.

Die beschriebenen Anordnungen können alle durch Anwendung in der Halbleitertechnik allgemein bekannter Verfahren hergestellt werden. So wird z. B. zur Herstellung der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 von einem p-leitenden Substrat 22 aus Silicium mit einer Dicke von etwa 200 μηι und einem spezifischen Widerstand von etwa 3 Ω cm ausgegangen. Auf diesem Substrat wird durch bekannte Verfahren eine n-leitende Siliciumschicht 23 mit einer Dicke von etwa 10 μΐη und einem spezifischen Widerstand von etwa 1,5Q-Cm angewachsen. Dann werden unter Verwendung bekannter photolithographischer Ätzverfahren die p-leitenden Isolierzonen 24 durch z. B. eine Bordiffusion erzeugt. Durch weitere übliche Diffusions- oder Implantationstechniken werden danach die Basiszone 19 und die Emitterzone 20 gebildet. Dabei sei bemerkt, daß zur Vergrößerung des Widerstandes des Hall-Körpers in der Insel eine p-leitende Oberflächenzone, erwünschtenfalls zugleich mit der Basiszone 19, gebildet werden kann, wodurch die Dicke des Hall-Körpers herabgesetzt wird. Weiter können nötigenfalls z. B. zugleich mit der Emitterzone 20 η-leitende Kontaktzonen auf dem Ha!!-Körper 23,4 gebildet werden. Auf übliche Weise wird dann, sofern sie durch die durchgeführten Vorgänge noch nicht erhalten ist, die Isolierschicht 18 gebildet, wonach Kontaktfenster gebildet werden und die Metallisierung stattfindet. Mehrere der genannten Anordnungen können zu gleicher Zeit auf derselben Halbleiterscheibe hergestellt und dann voneinander getrennt werden.

Statt Silicium kann für den Halbleiterkörper auch ein anderes Halbleitermaterial, z. B. eine lll-V-Verbindung. wie Indiumarsenid oder Indiumantimonid, verwendet werden. Weiter kann statt eines Substrats mit einem dem des Hall-Körpers entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auch ein Substrat aus Isoliermaterial verwendet werden, während die Leitfähigkeitstypen der in den Ausführungsbeispielen angegebenen Halbleitergebiete je durch den engegengesetzten Typ ersetzt werden können, wodurch die η-leitenden Zonen zu p-leitenden Zonen werden, und umgekehrt

Vorteilhafterweise kann der Widerstand des Hall-Körpers dadurch vergrößert werden, daß z. B. in den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Dicke des Hall-Körpers mittels einer p-leitenden Oberflächenzo ne herabgesetzt wird, die, mit Ausnahme der Kontaktstellen, über die ganze Oberfläche des Hall-Körpers angebracht ist, wodurch der Hall-Körper sich im wesentlichen zwischen dem p-leitenden Substrat und dieser p-leitenden Oberflächenzone erstreckt. Eine

derartige Vergrößerung des Widerstandes kann auch mit Hilfe einer p-leitenden vergrabenen Schicht erhalten werden, wobei in dem Substrat an der Stelle des Hall-Körpers eine hochdotierte p-leitende Oberfiäehenzone erzeugt ist, die sich während der Herstellung der Anordnung in der epitaktischen Schicht ausbreitet.

Die Halbleiteranordnung nach der Erfindung kann auf gleiche Weise wie jedes andere Hall-Element in einer Schaltung verwendet werden. Zur Veranschauli-

chung zeigt Fig.8 eine monolithische integrierte Schaltung, in der ein Hall-Element nach Fig. 5 verwendet wird, dessen Hall-Kontakte 1 und 5 mit der Basis des Transistors Γι verbunden sind, während die Hall-Kontakte 3 und 7 mit der Basis des Transistors T₂ gemäß den schraffierten Metallbahnen verbunden sind. Der Hall-Körper weist ADmessungen von 220 χ 220 μπι auf; die Kontakte liegen alle in einem Abstand von 20 μητ von dem Rand.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der eine Anzahl von Hall-Elementen mit schichtförmigen, sich parallel zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckenden Hall-Körpern enthält, welche Hall-Körper jeweils mit einem Stromzufluß- und einem Stromabflußkontakt, über die ein Strom in lateraler Richtung durch den Hail-Körper fließen kann, und mit mindestens einem Hall-Kontakt zur Entnahme elektrischer Hall-Signale, die im Hall-Körper mit Hilfe eines Magnetfeldes erzeugt werden können, versehen sind, bei der sowohl die Stromzuflußkontakte als auch die Stromabflußkontakte und die Hall-Kontakte jeweils elektrisch miteinander verbunden sind und bei der die Hall-Elemente verschiedene Hauptstromrichtungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Elemente jeweils nur einen mit einem Anschlußleiter versehenen Hall-Kontakt (1, 3, 5, 7 oder 2,4,6,8; 31,33,35,37,39,41) enthalten und in mindestens zwei Gruppen von je zwei Hall-Elementen mit zueinander praktisch parallelen Hauptstromrichtungen unterteilt sind, derart, daß eine Hälfte der Hall-Kontakte (1, 5 bzw. 2, 6; 31, 35, 39) die eine Polarität und die andere Hälfte (3,7 bzw. 4,8; 33,37, 41) die andere Polarität aufweisen, daß die Hall-Kontakte (1,5; 3,7 bzw. 2,6; 4,8; 31,33,35,37, 39, 41) der gleichen Polarität elektrisch miteinander verbunden und mit je einem Anschlußleiter (10 bis 17) versehen sind und daß die Hauptstromrichtungen verschiedener Gruppen verschieden sind.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Gruppe die beiden Hall-Elemente (1, 2, 3; 5, 6, 7 bzw. 1, 8, 7; 3, 4, 5) entgegengesetzte Hauptstromrichtungen und Hall-Kontakte (2,6 bzw. 4,8) gleicher Polarität aufweisen (F ig. 3).

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Gruppe die beiden Hall-Elemente (31, 32, 42; 36, 37, 38) gleiche Hauptstromrichtungen und Hall-Kontakte (31, 37) mit entgegengesetzten Polaritäten aufweisen (F ig. 6).

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Elemente mit Hall-Kontakten (31, 35, 39 bzw. 33, 37, 41) gleicher Polarität Hauptstromrichtungen aufweisen, bei denen die Summe der Kosinusse des Zweifachen des Winkels zwischen jeder Hauptstromrichtung und einer beliebigen Bezugsachse parallel zu der Oberfläche praktisch gleich Null ist.

5. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Hall-Elemente einen gemeinsamen Hall-Körper aufweisen.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von den Strom- und Hall-Kontakten wenigstens die Hall-Kontakte (1, 5; 3, 7 bzw. 2, 6; 4, 8; 31, 33, 35, 37, 39, 41) am Rande des Hall-Körpers angeordnet sind.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper ein Substrat (22) von einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine auf dem Substrat liegende epitaktische Schicht (23) vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthält, und daß der Hall-Körper durch einen inselförmigen

Teil (23A) der epitaktischen Schicht gebildet wird, der von einer Isolierzone (24) umgeben ist, die diesen Teil (23A) elektrisch gegen den übriger. Teil der epitaktischen Schicht (23) isoliert

8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkontakte (1, 3, 5, 7 bzw. 2, 4, 6, 8; 32, 34, 36, 38, 40, 42) auf dem Hall-Körper an den Eckpunkten eines ersten regelmäßigen Vielecks angeordnet sind, wobei, rings herum von Stromkontakt zu Stromkontakt gehend, jeder Stromzuflußkontakt zwischen zwei Stromabflußkontakten liegt, und daß die Hall-Kontakte (2,4, 6, 8 bzw. 1, 3, 5, 7; 31, 33, 35, 37, 39, 41) an den Eckpunkten eines zweiten regelmäßigen Vielecks angeordnet sind, das die gleiche Anzahl Eckpunkte wie das erste Vieleck aufweist und das zu dem ersten Vieleck konzentrisch ist.

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Vieleck symmetrisch zu dem ersten Vieleck angeordnet ist.

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Kontakte (1, 3, 5, 7) ar. den Eckpunkten eines Quadrates liegen und daß sich die Stromkontakte (2,4, 6, 8) praktisch auf der Mitte der Seiten dieses Quadrates befinden (F ig. 4).

U. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkontakte (1, 3, 5, 7) an den Eckpunkten eines Quadrates liegen und sich die Hall-Kontakte (2, 4, 6, 8) praktisch auf der Mitte der Seiten dieses Quadrates befinden (F i g. 3).

12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Hall-Körpers mit Einkerbungen (21) versehen ist, die sich zwischen den Strom- und Hall-Kontakten erstrekken(Fig. 5).

13. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hall-Körper durch einen isolierten Teil einer epitaktischen Schicht (23) gebildet wird, in dem sich alle Hall-Elemente befinden, und daß in der epitaktischen Schicht (23) weitere Halbleiterschaltungselemente (19,20) angebracht sind.