DE2431943B2

DE2431943B2 - Halbleiteranordnung mit einem Hallelement

Info

Publication number: DE2431943B2
Application number: DE2431943A
Authority: DE
Inventors: Claude Caen Chapron (Frankreich)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-07-09
Filing date: 1974-07-03
Publication date: 1978-12-07
Also published as: FR2237373B1; GB1477848A; FR2237373A1; US4011469A; DE2431943C3; JPS5050882A; AU7098774A; BE817387A; CA1008972A; JPS5310265B2; ATA566474A; NL7409109A; CH578289A5; AT343719B; DE2431943A1; IT1015729B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem Hallelement und einer Kippschaltung mit Schwelleneffekt, die über zwei Transistoren, deren Basiszonen vom gleichen Leitungstyp sind, mit dem Hallelement gekoppelt ist, wodurch die Kippschaltung mit Hilfe eines, in dem Hallelement eine Hallspannung erzeugenden Magnetfeldes gesteuert werden kann, das mindestens zwei verschiedene Werte aufweisen kann.

Es sind Halbleiteranordnungen zum Schalten bekannt, die den Halleffekt benutzen, wobei eine gegenseitige Verschiebung zwischen zwei Lagen eines

ίο Magnetfeldes, in dem sich ein Hallelement befindet, eine Änderung des Zustandes einer Kippschaltung herbeiführt Diese Anordnungen werden dadurch hergestellt, daß in einem Halbleiterkörper mindestens ein Teil der Elemente der Kippschaltung, die von dem Potentialunterschied (nachstehend als Hallspannung bezeichnet), gesteuert wird, der durch den Halleffekt in dem Hallelement erzeugt wird, und manchmal auch das Hallelement selber ausgebildet wird. Die Kippschaltung, die von dem Übergang von einem zu dem anderen Wert

2« des Magnetfeldes gesteuert wird, enthält meist eine erste Differenzverstärkerstufe, z. B. einen symmetrischen Differenzverstärker oder eine Kippschaltung mit Schwelleneffekt (z. B. ein Schmitt-Trigger).

Die Eingangselemente einer derartigen Differenzstufe werden im wesentlichen durch zwei gleiche Transistoren gebildet, deren Basiszonen mit den Ausgangsklemmen des Hallelements elektrisch verbunden und deren Emitter in der Regel miteinander und mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind, der oft mit einer Stromquelle gekoppelt ist. Im Falle einer symmetrischen Schaltung kann die den Kollektoren der Transistoren entnommene Spannung einer Kippschaltung mit Schwelleneffekt zugeführt werden. Im Falle einer asymmetrischen Schaltung mit Rückkopplung

jj zwischen dem Kollektor eines Transistors und der Basis des anderen Transistors (welche Schaltung die Eigenschaften einer bistabilen Kippschaltung aufweisen kann), kann das dem Kollektor des zweiten Transistors entnommene Signal mittels einer beliebigen Verstärkerstufe verstärkt werden.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Diagramm mit Kurve 1, die die theoretische Kennlinie der Hallspannung Vh, die dem Ausgang eines Hallelements entnommen und gegebenenfalls verstärkt werden kann und die Eingangsspannung der Kippschaltung mit Schwelleneffekt bilden kann, als Funktion des Magnetfeldes //darstellt, dem das Hallelement ausgesetzt wird. Bei der industriellen Herstellung läßt sich eine gewisse Streuung dieser Kennlinie, z. B. zwischen den durch die Linien 2 und 3 dargestellten Grenzen, feststellen, wobei eine Nullspannung VW=O einer ganzen Reihe von Werten des Feldes zwischen Wcund Ho entsprechen kann.

Diese Streuung ist verschiedenen Faktoren, wie der Geometrie, der Zelle, der Inhomogenität des Materials, der Anordnung der Kontaktklemmen und gegebenenfalls der Eigenstreuung der Teile einer Verstärkerstufe, zuzuschreiben. Andererseits weist eine Kippschaltung mit Schwelleneffekt gewöhnlich eine Hystereseerscheinung in dem Sinne auf, daß z. B. die Schwelle der

w) Änderung des Zustandes bei zunehmender Spannung höher als die Schwelle der Änderung des Zustandes bei abnehmender Spannung ist. Die Kippschaltung weist im allgemeinen auch eine Streuung in den Bestandteilen der Triggerstufe auf. Der Zustand der Kippschaltung ist

b5 nicht exakt für eine bestimmte Reihe von Eingangsspannungen, z. B. zwischen Va und Va bekannt. Diese Werte Va und Vb entsprechen möglichen Werten des Magnetfeldes zwischen Ha und Hb- Dabei sollen die Ungewiß-

heiten über die Werte des Magnetfeldes, dem das Hallelement tatsächlich ausgesetzt ist, berücksichtigt werden. Streufelder oder Restfelder können sich zu dem Feld addieren und es größer oder kle-ner scheinen lassen als es in Wirklichkeit ist

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß, unter Berücksichtigung all dieser Streuungen, der Zustand der Kippschaltung nur für Magnetfelder exakt bekannt ist, die Werte aufweisen, die außerhalb des Intervalls Ha-Hb liefen. Wenn die Zustandsänderungen der Kippschaltung genau dem Übergang von einem zu dem anderen Wert entsprechen, die vom Magnetfeld angenommen werden können, kann vorteilhaft eine Verschiebung der Kennlinie VW = f(H) der Hallzelle, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Verstärkerstufe, bewirkt werden, so daß die beiden Werte, die das Magnetfeld annehmen kann, Werten der Spannung entsprechen, die zu beiden Seiten und in verhältnismäßig großer Entfernung von der Reihe von Spannungen liegen, innerhalb deren die Möglichkeit der Zustandsänderung der Kippschaltung besteht. Im Falle der Anordnung, deren Kennlinie in F i g. 1 dargestellt ist, muß die Kurve z. B. über einen Abstand Δ Η verschoben werden.

Ein bekanntes Verfahren zum Erhalten einer derartigen Verschiebung ist u. a. in der US-Patentschrift 35 96 114 beschrieben. Dieses Verfahren besteht in der Anwendung einer Vorspannung bei der Differenzstufe, die sich am Ausgang eines Halleiements befindet und durch eine Verschiebung der Kontaktklemmen erhalten wird, denen die Hallspannung entnommen wird. Diese Verschiebung der Kontaktklemmen muß jedoch bei einer als integrierte Schaltung ausgebildeten Anordnung über einen sehr kleinen Abstand geschehen und ist sehr schwierig. Die Einstellung einer derartigen Verschiebung ist schwierig, denn es müssen die unvermeidlichen Streuungen bei jeder industriellen Herstellung und auch die starke gegenseitige Abhängigkeit der Impedanzen des Hallelements und der Kennlinie der Schaltung des die Hallspannung empfangenden Systems berücksichtigt werden: durch diese Abhängigkeit können thermische Schwankungen schnell die Kennlinien der Anordnung stören.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung gemäß dem Oberhegriff des Anspruchs 1 so auszugestalten, daß auf einfache und auch für die Massenfertigung geeignete Weise erreicht wird, daß trotz der Streuung der Kennlinien des Halleiements und der Kippschaltung für zwei bestimmte Werte des Magnetfeldes zwei definierte Schaltzustände erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das Verhältnis zwischen den Oberflächen der Emitter-Basis-Übergänge der beiden Transistoren, die im übrigen einander gleich sind, bestimmt einen Unterschied zwischen den inneren Spannungsabfäüen über diesen Übergängen. Es ist ja bekannt, daß der innere Spannungsabfall V_e eines Emitter-Basis-Übergangs eines Transistors für einen Strom / durch Anwendung der Gleichung

., kT /

K = lug ,

η * Is

Keschätzt werden kann, wobei k die Boltzmann-Konstante, T die Absoluttemperatur, q die Ladung der Elektronen und /sder Sättigungsstrom der Emitter-Basis-Diode ist.

Bei einem gleichen Strom /werden zwei Transistoren, die, ausgenommen in bezug auf die Oberflächen der

Emitter-Basis-Übergänge, einander völlig gleich sind, Spannungsabfälle über den Emitter-Basis-Übergängen aufweisen, die um

A-7-

voneinander verschieden sind, wobei h und l\ die Sättigungsströme der Emitter-Basis-Dioden der Transistoren 7*1 und T2 sind. Diese Sättigungsströme sind den Oberflächen dieser Übergänge proportional; dadurch wird

ic! =

k7

IOL

erhalten, wobei S₂ und Si die Oberflächen der Emitter-Basis-Übergänge der Transistoren 71 und T2 sind, die als Eingangselemente der Kippschaltung wirken.

Da die Emitter mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind, ergibt sich aus diesem bestimmten Unterschied zwischen den Spannungsabfällen eine bestimmte Verschiebung der von der durch die beiden Transistoren gebildeten Stufe gelieferten Spannungen. Falls die Transistoren als eine Differenzverstärkerstufe angeordnet sind, weist diese eine bestimmte Verschiebung aus dem Gleichgewichtszustand beim Fehlen des Magnetfeldes auf, dem das Hallelement ausgesetzt v/erden muß. Falls die Transistoren als eine Kippstufe mit Schwelleneffekt angeordnet sind, sind die Umklappschwellen über einen bestimmten Wert verschoben. Wenn das Verhältnis zwischen den Oberflächen der Emitter-Basis-Übergänge der beiden Transistoren richtig gewählt is:, sind die Werte der den Zustandsänderungen der Kippschaltung entsprechenden Spannungen in genügendem Maße verschoben, um sich zwischen den Spannungswerten zu befinden, die den beiden Werten entsprechen, die vom Magnetfeld erreicht werden können.

Insbesondere im Falle einer Kippschaltung, dessen Schwellwerte sich gewöhnlich um den Wert V=O befinden und dessen Zustand für ein Magnetfeld mit einer Intensität in der Nähe von Null nicht exakt bekannt wäre, wird das Ungewißheitsgebiet der Schwellwerte in bezug auf das Ungewißheitsgebiet der Felder durch den Unterschied zwischen den Oberflächen der Emitter-BasivÜbergänge der beiden Transistoren verschoben. In diesem Falle kann das Verhältnis zwischen diesen Oberflächen verhältnismäßig stark von 1 verschieden sein. Dies ergibt sich, wenn die Anordnung die An- oder Abwesenheit eines Magnetfeldes anzeigen muß.

Die Erfindung benutzt einen Unterschied zwischen den Oberflächen der Emitter-Basis-Übergänge, der sich nach dem Stand der Technik ohne Schwierigkeiten einfach erzielen läßt. Eine einfache lokale Modifikation einer Diffusionsmaske kann z. B. in der gewünschten Richtung wirken. Dabei kann ein wichtiger Unterschied zwischen den Oberflächen einem sehr kleinen

nungsunterschied entsprechen und die gewünschte Verschiebung läßt sich leicht durch eine einfache lokale Änderung einer Diffusionsmaske erzielen. Dabei beeinträchtigt diese Änderung die anderen Bestandteile des Systems nicht. Die Verstärkung wird z. B. nicht geändert.

Die Einstellung der Schwellen der Zustandsänderung in bezug auf die möglichen Werte des Magnetfeldes nach der Erfindung hat keine Modifikation der Bearbeitungen bei der Herstellung der Anordnungen zur Folge. Falls die Anordnung nach der Technologie der integrierten Schaltungen hergestellt wird, muß ein Fenster einer Diffusionsmaske lokal geändert werden.

Die Erfindung läßt sich zur Herstellung von Schaltvorrichtungen verwenden, die den Halleffekt benutzen. Insbesondere läßt sich die Erfindung zur Herstellung integrierter Kleinstanordnungen in einer monolithischen Halbleiterscheibe verwenden, welche Anordnungen z. B. für ein Glied mit Handbedienung, z. B. einen kontaktlosen Druckknopf, bestimmt sind. Tasten eines Tastenbretts, die logische Niveaus elektronischer Rechenmaschinen betätigen, können vorteilhaft gemäß der Erfindung hergestellt werden.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 2 ein Schaltbild einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung mit einer Differenzverstärkerstufe,

F i g. 3 ein Schaltbild einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung mit einem Schmitt-Trigger,

Fig.4 teilweise eine Draufsicht auf Halbleiteranordnung nach der Erfindung mit mindestens einem Hallelement, zwei Transistoren und Widerständen eines Differenzverstärkers und

Fig.5 teilweise einen Schnitt längs der Linie X-X durch den in F i g. 4 in Draufsicht dargestellten Teil der Halbleiteranordnung.

Das Schaltbild nach F i g. 2 bezieht sich auf ein Hallelement 10, durch das ein Strom / zwischen den Kontakten 11 und 12 bei einer Spannung in der Größenordnung von einigen Volt fließt. Beim Vorhandensein eines Magnetfeldes, das senkrecht auf der Zeichnungsebene steht, erscheint eine Hallspannung zwischen den Kontaktklemmen 13 und 14, die mit den Basis-Elektroden der Transistoren Ti und T2 verbunden sind. Diese Transistoren sind praktisch einander gleich, mit Ausnahme ihrer Emitterzonen £1 und £2, die verschiedene Oberflächen aufweisen. Die Emitterzonen sind mit einem Widerstand R 3 und die Kollektoren mit den Widerständen R1 bzw. R 2 verbunden, wobei das Ganze zwischen den Klemmen + und — einer Stromquelle eingeschaltet ist.

Die Ausgangsklemmen der Anordnung sind mit A und B bezeichnet und werden mit einer Kippschaltung, z. B. einem Schmitt-Trigger, verbunden.

Wenn die Kippschaltung, die von der zwischen A und B verfügbaren Spannung gesteuert wird, mit der Polarität der Eingangsspannung umschaltet, d. h. entsprechend der An- oder Abwesenheit eines Magnetfeldes umschaltet, muß die Kennlinie V=f(H) der Spannung zwischen A und B als Funktion des Magnetfeldes, dem das Hallelement 10 ausgesetzt ist, derart verschoben werden, daß die Abwesenheit eines Feldes einer Spannung entspricht, deren Polarität der der Spannung entgegengesetzt ist, die durch das Magnetfeld erzeugt wird.

Dadurch, daß für die Emitter E2 des Transistors 7*2 und Ei des Transistors Ti Oberflächen in einen geeigneten gegenseitigen Verhältnis gewählt werder wird eine Verschiebung der Kennlinie V=f(H) in de gewünschten Richtung herbeigeführt. So kann z. B. de ^r) Emitter E2 eine Oberfläche aufweisen, die gleich den Zweifachen der Oberfläche des Emitters £1 ist: be einer Absolutlemperatur in der Größenordnung vor 300⁰K, bei der der Koeffizient ^⁷gleich 26 mV ist, is

in der Unterschied zwischen den inneren Spannungsabfäl len des Basis-Emitter-Übergangs etwa 18 mV. Durcr diesen Unterschied erscheint zwischen A und B ir Abwesenheit eines Magnetfeldes eine Spannung, derer Polarität der der Spannung entgegengesetzt ist, die ir

!· dem Haüelement in. Fig.2 durch ein Magnetfek senkrecht zu der Zeichnungsebene herbeigeführt wird.

Das Schaltbild nach Fig. 3 bezieht sich auf eint Anordnung, bei der ein konstanter Strom über die Kontakte 21 und 22 durch das Hallelement 20 fließt. Ir

in Anwesenheit eines Magnetfeldes senkrecht zu dei Zeichnungsebene erscheint eine Hallspannung zwischer den Klemmen 23 und 24, die mit den Basis-Elektroder der Transistoren T'\ und T' 2 verbunden sind. Diese Transistoren sind einander gleich, mit Ausnahme ihrer

2> Emitterzonen £'1 und E'2, deren Oberflächen verschieden sind und ein bestimmtes gegenseitiges Verhältnis aufweisen, das verschieden von 1 ist. Die Emitterzoner E'i und E'2 sind mit einem Widerstand R'3 verbunden Der Kollektor von T'i ist mit einem Widerstand RA

in und die Basis von T'i ist mit dem Kollektor von T'I verbunden. Das Ganze ist zwischen den Klemmen + und — einer Spannungsquelle eingeschaltet. Das Ausgangssignal wird dem Punkt C entnommen und kann einem Verstärker zugeführt werden. Die Strom-

)-> Spannungs-Kennlinie / = f(V) der Schaltung am Ausgang des Hallelements kann mit geeigneten Widerstandswerten ein Gebiet mit einem negativen Widerstand zur Erzielung des Umschalteffekts aufweisen. Das Verhältnis zwischen den Oberflächen der

4Ii Emitterzonen E' 1 und E'2 ist derart gewählt, daß dieses Gebiet mit negativem Widerstand sich zwischen den Spannungswerten befindet, die den zwei möglichen Werten des Magnetfeldes entsprechen, wobei einer der Werte 0 sein kann.

3 Eine Halbleiteranordnung, deren Schaltbild dem nach F i g. 2 entspricht, ist in Draufsicht in F i g. 4 und teilweise in F i g. 5 in einem Schnitt längs der Linie X-X der F i g. 4 dargestellt.

Die Anordnung wird durch die übliche Technik zur

5(i Herstellung integrierter Schaltungen erhalten, wobei von einer Scheibe 51 aus p-leitendem Silicium ausgegangen ist, die als Substrat dient und auf der eine epitaktische n-Ieitende Schicht 52 niedergeschlagen ist In diese Schicht 52 werden Isolierzonen 53 vom p⁺-Typ eindiffundiert, die in der Schicht 52 η-leitende Inseln bilden, wobei die Insel 10 den Hallkörper eines Hallelementes bildet; andere Inseln 15, 16 dienen zur Bildung von Transistoren 7*1 und 7*2 und die Inseln 17, 18 zur Bildung der Widerstände Ri, R2 und A3. Die Kontakte 11 und 12, die durch lokale η+-Diffusionen gebildet werden, sind mit den Kontaktflächen 41 und 42 verbunden. Die Kontakte 13 und 14, die gleichfalls durch lokale n⁺-Diffusionen gebildet sind, bilden die Kontaktklemmen, denen die Hallspannung entnommen wird, und sind mit den Basis-Elektroden Bi und B 2 der Transistoren Tl bzw. 7*2 verbunden. Diese Transistoren ΓΙ und 7*2 sind einander gleich, abgesehen von der Länge ihrer Emitter £"1 und £2. Aus dem Schnitt nach

Fi g. 5 geht hervor, daß der Emitter E2 eine erheblich größere Länge als der Emitter E1 aufweist.

Die mit gestrichelten Linien in Fig.4 dargestellten Verbindungen, wie 43, 44, 56, können durch Niederschlagen von Aluminium im Vakuum erhalten werden.

Die Fenster 55 zum Kontaktieren der Emitter können in beiden Transistoren gleich sein. Die Verbindung 56, die auf der Isolierschicht 54 niedergeschlagen ist und die die beiden Emitter mit dem Widerstand R 3 verbindet, behält so ihre Symmetrie bei.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Paten tansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit einem Hallelement und einer Kippschaltung mit Schwelleneffekt, die über zwei Transistoren, deren Basiszonen vom gleichen Leitungstyp sind, mit dem Hallelement gekoppelt ist, wodurch die Kippschaltung mit Hilfe eines in dem Hallelement eine Hallspannung erzeugenden Magnetfeldes gesteuert werden kann, das zwei verschiedene Werte aufweisen kann, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen eines Vorzugszustandes in der Kippschaltung die Flächen der Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren (7*1, 7*2) so voneinander verschieden sind, das der Bereich der der Kippschaltung zuzuführenden Spannungen, in dem in der Kippschaltung ein Obergang von einem Zustand in den anderen Zustand auftritt, zwischen den vom Hallelement (10) gelieferten Eingangsspannungen liegt, die den zwei verschiedenen Werten des Magnetfeldes entsprechen.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (7*1, 7*2) durch je einen planaren, in einem Halbleiterkörper angebrachten Transistor gebildet werden, wobei das Verhältnis zwischen den Flächen der Emitter-Basis-Obergänge wenigstens im wesentlichen durch diejenigen Teile der Übergänge bestimmt wird, die sich parallel zu den Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers (51,52) erstrecken.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (7*1, 7*2) in demselben Halbleiterkörper (51, 52) integriert sind.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hallelement ebenfalls in dem Halbleiterkörper integriert ist und durch einen inselförmigen Teil (10) des Halbleiterkörpers (51,52) gebildet wird.

5. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch» gekennzeichnet, daß die Emitterzonen (Ei, E2) der Transistoren (Ti, T7) durch in die Basiszonen (Sl, B 2) eingebettete, langgestreckte Zonen gebildet werden, die praktisch die gleichen Breiten, aber verschiedene Längen aufweisen.

6. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Transistoren zu einem Differenzverstärker gehören, dessen Ausgang mit der Kippschaltung gekoppelt ist.

7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippschaltung einen Schmitt-Trigger enthält, dessen Eingang mit dem Hallelement gekoppelt ist und deren Ausgang sich eine Verstärkerstufe anschließt, wobei der Schmitt-Trigger eine Strom-Spannungs-Kennlinie mit einem Gebiet mit negativem Widerstand aufweist, das zwischen den vom Hallelement gelieferten Spannungen liegt, die den zwei genannten Werten des Magnetfeldes entsprechen.