DE2804373A1

DE2804373A1 - Hall-generator

Info

Publication number: DE2804373A1
Application number: DE19782804373
Authority: DE
Inventors: Robert Thomas Bate; Jun Raymond Kenneth Erickson
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1977-02-02
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1978-08-03
Also published as: IT1090846B; JPS6228600B2; JPS53108396A; DE2804373C2; US4141026A

Description

	- β -	Dipl -Ing
	Patentanwälte	G. Leiser
Dipl.-Ing	Dipl -Chem
E. Prinz	Dr. G. Hauser
	Ernsbergerslrasse 19
	8 München 60
Unser Zeichen:	T 3030

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED 31.Januar 1978

13500 North Central Expressway
Dallas, Texas, V.St.A.

Hall - Generator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hall-Generator und insbesondere auf einen aus mehreren senkrecht zueinander angeordneten Hall-Plattenpaaren, deren Ausgangskontakte parallel geschaltet sind.

Die Anwendung des Hall-Effekts in Halbleitern zum kontaktlosen, mechanisch ausgeführten Schalten ist seit vielen Jahren bekannt. Bis vor kurzem sind Hall-Effekt-Bauelemente wegen ihrer hohen Kosten und ihrer geringen Empfindlichkeit nicht in größerem Umfang eingesetzt worden. Es wurde angenommen, daß zur Erzielung einer ausreichenden Ausgangsspannung mit niedriger Restspannung Materialien mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit wie InAs-InP-Legierungen für die Generatoren verwendet werden müssen, jedoch sind kostengünstige Herstellungs-

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-¹J-

28ÜU73

verfahren für diese Materialien und Bauelemente nicht entwickelt worden.

Fortschritte in der Silizium-Technologie ermöglichten es nun, die niedrige Ladungsträgerbeweglichkeit und die geringe Empfindlichkeit des Siliziums zu überwinden, indem Schaltungen mit Hall-Generatoren, Vorverstärkern, Signalformschaltungen und Auslöseschaltungen auf dem gleichen Halbleiter-Chip integriert wurden.

Zwar sind die Empfindlichkeit und Temperatureinflüsse Problembereiche, doch besteht die Hauptschwierigkeit bei Silizium-Hall-Generatoren in der Restspannung, d.h. der ohne Anlegen eines Magnetfeldes auftretenden Ausgangs spannung. Diese Spannung steigt, wenn die erforderliche Symmetrie des Generators nicht beibehalten wird; sie resultiert aus verschiedenen Einflußgrößen wie Masken- und Ausrichtfehlern, Dotierungsinhomogenitäten, nicht gleichmäßigen Diffusionen an Kontakten oder am Rand des Generators, Scherungsbeanspruchungen, ausgedehnten Defektstellen usw. Die Gesamtwirkung dieser Einflußgrößen führt zu Restspannungen, die sich von einem Halbleiter-Chip zum anderen auf einer Halbleiter-Scheibe in nicht voraussagbarer Weise ändern und in der Größenordnung der erwarteten Hall-Spannung oder sogar darüber liegen können.

Derzeit wird zur Überwindung dieses Problems jeder Halbleiter-Chip auf einer Scheibe einzeln hinsichtlich seiner Funktion überprüft und gegebenenfalls zugeschnitten, was zu einer beträchtlichen Kostenerhöhung führt.

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I ü U k 3 7 3

Mit der erfindungsgemäßen Lösung, nach der ein Hall-Plattenpaar rechtwinklig zueinander angeordnet wird, wobei mehrere solcher rechtwinklig zueinander liegender Paare mit parallel geschalteten Hall-Spannungskontakten angewendet werden, sinken die Herstellungskosten, da eine absolute Genauigkeit bei der Ausrichtung und der Maskierung und eine vollständige Freiheit von Beanspruchungsfehler spannung en nicht mehr erforderlich ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform bilden zwei Paare aus senkrecht zueinander angeordneten Hall-Platten auf einem Halbleiter-Chip mit entsprechender Anordnung und Verbindung untereinander einen Hall-Generator, der praktisch keine Restspannung aufweist. Die Hall-Platten der hier zu beschreibenden bevorzugten Ausführungsform haben im wesentlichen die gleiche rhombusförmige Gestalt. An direkt gegenüberliegenden Spitzen der rhombusformigen Platte sind zwei Stromkontakte angebracht, und an den anderen Spitzen der Rhombusform sind zwei Hall-Sapnnungskontakte angebracht. Ein rechtwinkliges Plattenpaar ist so angeordnet, daß eine die Stromkontakte einer Hall-Platte halbierende Linie im wesentlichen senkrecht zu einer Linie verläuft, die die Kontakte der anderen Hall-Platte halbiert. Ein dem soeben beschriebenen Plattenpaar gleichendes zweites rechtwinkliges Plattenpaar ist in der Nähe des ersten Paares so gebildet, daß zwei Platten mit aneinanderstoßenden Seiten eine solche Lage einnehmen, daß durch Jeden der zugehörigen Stromkontakte gezogene Linien im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen. Es ist dafür gesorgt, daß an die Stromkontakte Jeder Zelle eine Vorspannung angelegt werden kann und daß in auswählbarer Weise ein Magnetfeld angelegt werden kann, das die Ebene der Hall-Platten im wesentlichen rechtwink-

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U υ 4 3 7

lig schneidet. Die positiven Hall-Spannungskontakte und die negativen Hall-Spannungskontakte sind jeweils miteinander verbunden, wobei die Polarität der Spannung durch die Polarität der über die Stromkontakte angelegten Vorspannung und die Richtung des Magnetfeldes bestimmt wird. Zum Empfangen und Übertragen eines die Anwesenheit des überschneidenden Magnetfeldes anzeigenden elektrischen Ausgangssignals wird eine Ausgangsschaltung benutzt. Die Ausgangsschaltung kann einen Verstärker enthalten; zusätzlich zu dem Verstärker kann sie eine Hysterese-Schaltung, beispielsweise ein Flip-Flop, enthalten. Alle diese Schaltungseinheiten sind auf dem gleichen Halbleiter-Chip wie der Hall-Generator, gebildet.

Mit Hilfe der Erfindung soll also ein Hall-Generator geschaffen werden, der im wesentlichen keine Restspannung aufweist. Dieser Hall-Generator soll relativ kostengünstig herstellbar sein.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf eine herkömmliche Hall-Platte,

Figur 2A und 2B eine schematische Darstellung einer mathematischen winkeltreuen Transformation,

Figur 2C eine Ansicht einer praktischen Aus führung sform einer Hall-Platte in Form eines abgeschnittenen Dreiecks,

B 0 9 8 3 1 ./1 0 1 8

2604373

Figur 3A eine Draufsicht auf eine rhombusförmige Hall-Platte ,

Figur 3B eine Schnittansicht der Hall-Platte von Figur 3A längs der Linie 3B,

Figur 4a eine schematische Darstellung der elektrischen Verbindung eines Paares rechtwinklig zueinander angeordneter herkömmlicher Hall-Platten,

Figur 4b eine schematische Darstellung der elektrischen Verbindung eines Paares aus rechtwinklig zueinander angeordneten Hall-Platten in der erfindungsgemäßen Ausführung von Figur 2C,

Figur 5A einen Schritt des Herstellungsverfahrens für zwei senkrecht zueinander angeordnete, rhombusförmige Hall-Plattenpaare,

Figur 5B einen Schnitt längs der Linie 5B-5B von Figur 5A,

Figur 6a einen weiteren Schritt des Verfahrens zur Herstellung von zwei senkrechten, rhombusformigen Hall-Plattenpaaren,

Figur 6b einen Schnitt längs der Linie 6B-6B von Figur 6A,

Figur 7A eine Draufsicht auf zwei fertige, senkrecht zueinander angeordnete rhombusfÖrmige Hall-Plattenpaare und

Figur 7B einen Schnitt längs der Linie 7B-7B von Figur 7A.

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In Figur 1 ist eine herkömmliche Hall-Platte 10 dargestellt, die einen Halbleiterkörper 11 mit Stromkontakten 12 und 13 und Hall-Spannungskontakten 14 und 15 aufweist. Diese Hall-Platte könnte natürlich auch aus einem Metall wie Wismut bestehen.

Die Spannung V wird an den Hall-Spannungskontakten

3.U.S

14 und 15 gemessen; sie kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

^Vaus = ^VH ^{+ V}Rest

wobei die Hall-Spannung gegeben ist durch:

V_H = α tan 0V_e (2)

Die angelegte Vorspannung ist die Spannung V„ und der

Ausdruck tanö = 10 · H ist die Tangente des Hall-Winkels, der dem Produkt aus der Ladungsträgerbeweglichkeit in cm (Vs)" und der Feldstärke in Oersted proportional ist. Der dimensionslose Parameter α kennzeichnet die Geometrie des Hall-Bauelements, und eine Maximierung dieses Parameters α führt auch zu einer Maximierung der gewünschten Ausgangsspannung. Eine weitere Beziehung ist die Beziehung:

^VRest = ^fVa

Der dimensionslose Parametere hat im Idealfall den Wert Null, doch hängt er tatsächlich von den zuvor erwähnten Störfaktoren ab. Eine Optimierung erfordert eine Verkleinerung des Parameterse auf einen minimalen Wert.

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Schließlich gilt:

R_1n =r-P_a (3·)

wobei R._n der Widerstand ist, den der Generator für die Versorgungsspannungsquelle darstellt, während der Wert P der spezifische Flächenwiderstand des den Generator bildenden Siliziummaterials ist. Die Verlustleistung im Generator beträgt:

^Pin = ^Va>in = ^/VP _s (4)

Daraus ergibt sich, daß eine Verringerung der Verlustleistung auf einen Minimalwert für einen gegebenen spezifischen Flächenwiderstand ρ eine Maximierung des Para meters γ erfordert.

Unter Verwendung der Gleichungen (2) und (4) kann die Hall-Spannung auch durch die Eingangsleistung ausgedrückt werden:

V_H = /J tan 0Pg^/2 P?/² (5)

1 /?
wobei gilt: /J= ν ' * ; dies ist die Spannungs/Leistungs-

gütezahl. ^l

Die wichtigen Gleichungen seien hier noch einmal zusammengefaßt:

aus	~ ^VH ^{+ V}Rest	(D
^VH	= α tan θ V	(2)
^VRest	^{= eV}a	(3)
^VH tan θ	= ß tanö P^ /²P. -8 = 10 «H	(5)



1/2 Ln

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2tü4J?3

Als Beispiel der beabsichtigten Optimierung sei die Optimierung der herkömmlichen Hall-Platte von Figur 1 betrachtet. Sie ist auf eine rechtwinklige Form beschränkt, wobei beide Enden von einer Äquipotentialfläche bedeckt sind, während sie Punktkontakte für die Auslangsspannung aufweist. Es sei angenommen, daß gilt: tan0«1, f = 0 und p _B = fester Wert. Mit diesen Ein-, ^s

schränkungen ist die Optimierungsvariable das Verhältnis von Breite zu Länge W/L, und es gilt:

a= f(W/L), /3= (L/W)¹/²F(W/L),

oo

f(W/L) = (8/*²)X (-I)^k (2k + 1)~² tanh (k + 1/2)*W/L (6) k=0

Aus Tests ergibt sich, daß die Optimierung auf Kosten der Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsleistung geht. Wenn angenommen wird, daß jede zusätzliche Leistung zur Erhöhung der Spannung V^ über 95% des Maximalwerts vergeudet ist, ergibt sich der Optimalbereich folgendermaßen:

0.75 < W/L < 1,2 ; 0,833<^< | (7)

Für diesen Bereich liegen die Parameter α und /3 in den Bereichen:

0,602 < ot < 0,707 (8)

O,695</3 < 0,642 (9)

Die herkömmliche Hall-Platte kann einer winkeltreuen Transformation gemäß den Figuren 2A und 2B unterzogen werden.

8 O 9 8 3 1 / 1 Π 1 8

2BÜ4373

W = exp Z (10)

Diese Geometrie ist vorteilhaft bei der Reduzierung der Restspannungen.

In Figur 2A ist die herkömmliche Hall-Platte mit der Breite W und Länge L grafisch dargestellt.

In Figur 2B sind die Hall-Spannungskontakte 14' und 15' im radialen Abstand r_H = (^r-i^r?) ^I^- ^von ^·^ΘΓ Mitte angeordnet, wobei r. der Innenradius ist, während r^ der Außenradius ist. Der zu W/L äquivalente Wert wird aus der folgenden Formel berechnet:

W^L>äquivalent = e[In(^Zr₁)] "¹ (11)

Für0 ²Twird der die Bedingungen (8) und (9) erfüllende Optimalbereich von r^/r..

4348 > Cr₂Zr₁) > 188 (12)

Dies ist ein Wertbereich, der mit Ausnahme von ziemlich großen Bauelementen schwer zu erzielen ist. Eine in der Praxis ausführbare äquivalente Form ist die eines abgeschnittenen Dreiecks, wie sie in Figur 2C dargestellt ist. An der Basis dieses Dreiecks ist dabei der Stromkontakt 13' angebracht; der andere Stromkontakt 12' befindet sich an der abgeschnittenen Spitze des Dreiecks. Die Hall-Spannungskontakte haben die gleiche Lage wie in Figur 2B.

Für die nachfolgenden Ausführungen sei angenommen, daß

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28Ü4373

gilt: r. = C, r_H = X_c und r₂ = L.

Bei diesem praktischen Ausführungsbeispiel ist die auf eine Fehlaus richtung der Kontakte zurückzuführende Restspannung über die Gesamtlänge der Zelle nicht konstant, wie es bei der herkömmlichen Hall-Platte der Fall war. Die Restspannung für diesen Fall ergibt sich aus:

V=V
e cc

ΐηφ J

Diese Fehlerspannung ändert sich mit dem Kehrwert der Ortskoordinate des Hall-Kontaktpaares längs der Zelle. Zur Verringerung der Restspannung auf einen Minimalwert für ein gegebenes Verhältnis L/C sollten die Hall-Kontakte am Ort der größten Zellenbreite, also bei X_c = L angebracht sein. Der bei X=L angebrachte große Stromkontakt schließt jedoch die Hall-Spannung in diesem Bereich kurz. Zur Verringerung dieser Nebenschlußwirkungen der Stromkontakte sollten die Hall-Kontakte an einem dem geometrischen Mittelwert entsprechenden Ort, also bei X_c = γ LC, angebracht sein. Die Anbringung der Hall-Kontakte am Ort des geometrischen Mittelwerts führt zu einer Restspannung, die sich aus der folgenden Beziehung ergibt:

Figur 3A zeigt eine rautenförmige Hall-Platte 20, die elektrisch gesehen so betrachtet werden kann, als bestehe sie aus zwei Rücken an Rücken angeordneten abge-

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- 13 -

16 U 4 3 7

schnittenen Dreiecken. Dieses Bauelement kann eine ebenso große Ausgangsspannung wie eine herkömmliche Hall-Platte bei einem bis zu ^6% geringeren Energieverbrauch erzeugen.

Bei dieser Anordnung sind die Hall-Spannungskontakte 22 und 25 iod er 23 und 24) am breites ten Abschnitt der Zelle angeordnet. Diese geometrische Anbringung dieser Kontakte stellt eine optimale Anbringung sowohl hinsichtlich der Restspannung als auch hinsichtlich der Empfindlichkeit dar.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist zu erkennen, daß die Stromkontakte und die Hall-Spannungskontakte vertauschbar sind.

In Figur 3B ist ein Substrat 37 aus p-leitendem Material dargestellt, auf dem eine epitaktische Schicht 30 aus η-leitendem Material angebracht ist. In die epitaktische Schicht ist zum Isolieren und Abgrenzen der Hall-Platte p-leitendes Material 31 und 32 eingebracht. Eine aus Siliziumoxid bestehende Schicht 21 ist über der epitaktischen Schicht 30 gebildet; in dieser Schutzschicht sind Löcher 26 bis 29 angebracht, damit die Kontakte 22 bis freigelegt werden, die aus N⁺-Material bestehen, das im N-Material der epitaktischen Schicht 30 erzeugt ist.

Es folgt nun eine Analyse der Restspannung für das Ausführungsb ei spiel mit abgeschnittenen Dreiecken. Die Restspannung ergibt sich aus:

" P 5 ΛΥ

^ve ^vcc[ '

509831/1018

,/ U ü 4 3 7 3

Diese vereinfachte Analyse läßt eine Verbesserung gegen-

über der herkömmlicnen Hall-Platte um den Faktor 2/ln(L/C) erkennen.

Ohne Magnetfeld steht das elektrische Feld an jeder Stelle durch folgende Gleichung mit der Stromdichte in Beziehung:

E = pJ (15)

In der zweidimensionalen Näherung hat der Tensor des spezifischen Widerstandes die Form:

(θ" ,KX )

⁽¹⁶⁾

Wenn der Chip aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungswirkungen oder wegen einer Verbiegung des Gehäuses auf Scherung beansprucht wird, nimmt der Tensor des spezifi schen Widerstandes folgende Form an:

(17)

Bei Anlegen eines schwachen Magnetfeldes nimmt der Tensor folgende Form an:

, XX V T M (₁₈)

P_xy ♦ RH _f J ⁽¹⁸⁾

Die Größe R ist dabei der Hall-Koeffizient. Unter Bezugnahme auf Figur 4 sollen für den Hall-Generator 40 fol-

GRiÖiNAL INSPECTED 809831/1018

gende Größen gelten: Λ = O und E = (ο - RH) Daher gilt:

= ^Vy = (^Pxy " ^RH> V* = ^VRest " ^VH

Der für die Restspannung verantwortliche Parameter c , der in der Gleichung (3) definiert wurde, ergibt sich aus:

^(W/L)

Nahe der herkömmlichen Hall-Platte 40 ist im rechten Winkel zu dieser eine weitere herkömmliche Hall-Platte 41 angebracht, wobei für die Hall-Platte 41 gilt: i = und

- ^VC> = ^Vx = fr xy ^{+ RH}) V* ^{= V}Rest ^{+ V}H

Der Hall-Kontakt C der herkömmlichen Hall-Platte 41 ist über einen Leiter 42 mit einem Schalter 44 und über einen Leiter 43 mit dem Hall-Kontakt A der herkömmlichen Hall-Platte 40 verbunden. Der Hall-Spannungskontakt D der Hall-Platte 41 ist mit Hilfe von Leitern 53 und 51 über einen Schalter 52 mit dem Hall-Spannungskontakt B der Hall-Platte 40 verbunden. An die Stromkontakte 46 und der Hall-Platten 41 bzw. 40 ist eine Vorspannung angelegt, und die Stromkontakte 45 und 46 der Hall-Platten 41 bzw. 40 liegen an Masse. Die Ausgangsklemmen 49 und 50 sind mit Leitern 42 bzw. 51 verbunden.

Wenn die Schalter 44 und 52 geschlossen sind, liegen die

B 09831 /1018

2 b υ 4 3 7

Punkte A und C zwangsweise auf dem gleichen Potential. Das gleiche gilt für die Punkte B und D. Die resultierende Spannungsdifferenz ergibt sich in erster Ordnung folgendermaßen:

^VBD - ^VAC = K - V * ^(VD - V]/² = l>^V

Rest

^(VRest ⁺ V]/² =^VH

Die aufgrund einer gleichmäßigen Scherungsbeanspruchung auftretende Restspannung hebt sich somit in erster Ordnung für Paare aus rechtwinklig angeordneten Hall-Genera toren auf, die nach Figur 4A miteinander verbunden sind.

In Figur 4B ist eine der Darstellung von Figur 4A entsprechende Anordnung von zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Hall-Platten dargestellt, die jeweils in Form abgeschnittener Dreiecke gemfi3 Figur 2C ausgeführt sind. Dabei sind die einander entsprechenden Teile mit den gleichen, jedoch gestrichenen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Wenn zwei oder mehr Hall-Generatoren auf dem gleichen Chip miteinander verbunden werden, dann kann der Einfluß geometrischer Wirkungen unter gewissen Umständen ebenfalls reduziert werden. Es sei angenommen, daß auf einem Chip η Hall-Generatoren angebracht sind und daß die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein einzelner gegebener Fühler die Restspannung V_R ^ =S hat, durch die normale Wahrscheinlichkeitsfunktion gegeben ist, nämlich die Funktion

exp [U -Μ²/2_σ ²] (22)

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wobei die Möglichkeit besteht, daß die Funktion bei einem von Null verschiedenen Wert S = μ ein Maximum hat.

Bei η Hall-Generatoren mrb parallel geschalteten Hall-Spannungskontakten kann der Kehrwert für die Wahrscheinlichkeit, daß die Kombination die Restspannung S hat, folgendermaßen angegeben werden:

«-/*) /2a_n^J (23)

wobei gilt σ = ^ση~^ι/ί1. Derr Kehrwert der Wahrscheinlichkeit bei einer Restspannung mit dem Wert Null lautet f οIg endermaß en:

exp (η/χ²/σ²) (24)

Die Bedingung dafür, daß die Wahrscheinlichkeit für eine Restspannung mit dem Wert Null für die Kombination aus miteinander verbundenen Fühlern größer als für den Einzelfühler ist, lautet folgendermaßen:

P_n(O) > P₁(O) (25)

was die folgende Bedingung erfordert:

_μ ²/σ² < ln(n)/[2(n-D] (26)

Durch Verbinden mehrerer Fühler kann also die Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen einer Restspannung mit dem Wert Null vergrößert werden, vorausgesetzt, daß die Wahrscheinlichkeitsfunktion nicht übermäßig gegen eine Rich-

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tung der Restspannung "verzerrt" ist. Für eine unverzerrte Verteilung ( μ = O) gilt:

P_n(O) = n^i/2 P₁(O) (27)

so daß für den Fall dieses Beispiels durch Verbinden von vier Hall-Generatoren der Aus beuteverlust aufgrund der Restspannung um den Faktor 2 herabgesetzt werden kann.

Wenn ein endlicher Wert der Restspannung zugelassen wird, kann die Verbesserung noch größer sein. Als Beispiel sei eine Gruppe von Hall-Generatoren betrachtet, die durch eine unverzerrte Verteilung (μ = 0) mita° ₌ = 5mV gekennzeichnet sind. Wenn eine Restspannung von

S¹= 3mV oder weniger zulässig ist, dann ist die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein einziger Hall-Generator brauchbar ist, folgendermaßen: erf(<5 ¹ZZo) - 0,452, während die Wahrscheinlichkeit dafür, daß eine Kombination aus vier Hall-Generatoren brauchbar ist, erf(5 /2σ. ) = =0,7.69 ist.Der Ertragsverlust für einen einzelnen Hall-Generator beträgt daher 5^,8%, während der für die Kombination nur 23% beträgt.

Das Konzept der Scherungsspannungslöschung durch rechtwinklig zueinander angeordnete Hall-Generatoren und das Konzept der Restspannungsreduzierung durch statistische Mittelung können mit jeder geradzahligen Anzahl rechtwinklig angeordneter Generatorpaare mit parallel geschalteten Hall-Spannungskontakten verwirklicht werden. Eine Ausdehnung dieser Konzepte auf vielfache Differenzverstärker/Hall-Generator-Kombinationen würde zu

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einer weiteren Reduzierung der Gesamt-Restspannung von Generator und Verstärker führen.

Die Ausgangsspannung des Hall-Generators hängt vom Typ der verwendeten Ladungsträger ab. Die Beweglichkeit von Elektronen in Silizium ist größer als die Beweglichkeit von Löchern. Da die Hall-Spannung der Beweglichkeit der Ladungsträger direkt proportional ist, sollten die Hall-Fühler aus η-leitendem Silizium mit entsprechenden flachen N⁺-Diffusionen sowohl für die Stromkontakte als auch für die Hall-Spannungskontakte nach Figur 3B hergestellt werden.

Die Ausgangsspannung hängt auch von der Ladungstragerkonzentration innerhalb des Hall-Generators ab. Für Konzentrationswerte über 10 Atome/cm^ wird die Trägerbeweglichkeit verschlechtert. Konzentrationswerte unter

15 ^

10 Atome/cm vergrößern den Innenwiderstand des Generators, so daß die Generatorbelastung ein in Betracht zu ziehender Faktor wird.

In der bevorzugten Ausführungsform sind zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Paare aus rhombusförmigen Generatoren 6O-61 und 62-63 so geformt, wie es in den Figuren 5A und 5B dargestellt ist. Ein p-leitendes Ausgangsmaterial mit einem spezifischen Widerstand von 10 bis 20 Ohm·cm mit 111-Orientierung bildet ein Substrat 64, auf dem durch Aufwachsen eine epitaktische Schicht 66 aus η-leitendem Material gebildet ist. Über dem n-leitenden epitaktischen Material ist eine Schutzschicht 68 aus Siliziumoxid gebildet. In der epitaktischen Schicht sind zur Abgrenzung der Generatoren 60 bis 63 p-leitende

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Isolationszonen 67 gebildet.

In den Figuren 6A und 6B ist ein weiterer Schritt des Herstellungsverfahrens veranschaulicht, wonach Kontakte 75 bis 78 aus N⁺-Material in der η-leitenden epitaktischen Schicht 66 gebildet worden sind. Außerdem ist die Erzeugung einer weiteren Schutzschicht 68 dargestellt, wobei Kontaktöffnungen 71 bis 74 zu erkennen sind. Diese Öffnungen und die Kontakte sind für die Hall-Generatoren 62 und 63 dargestellt. Die übrigen Kontakte und Öffnungen in den Hall-Generatoren 62, 63 und 60, 61 sind gleich; sie sind im einzelnen nicht dargestellt. Das fertige Bauelement ist in den Figuren 7A und 7B dargestellt. In Figur 7B sind in Kontakt mit den Kontakten 75 bis 78 stehende Leiter 80 bis 83 aus Metall angebracht worden. Die Verbindungen sind nicht dargestellt, doch sind im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Leiter 81 und 84 an die Hall-Spannungskontakte des Bauelements 62 angeschlossen, die Leiter 88 und sind an die Hall-Spannungskontakte des Bauelements 60 angeschlossen, die Leiter 91 und 94 sind an die Hall-Spannungskontakte des Bauelements 61 angeschlossen und die Leiter 82 und 87 sind an die Hall-Spannungskontakte des Bauelements 63 angeschlossen. Die übrigen zwei Leiter an jedem Bauelement sind an die Vorspannungsquelle angeschlossen; sie dienen als Stromkontakte. Es sei daran erinnert, daß bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Stromkontakte und die Hall-Spannungskontakte vollständig vertauschbar sind, wobei die Auswahl in willkürlicher Weise so erfolgt, daß die Paare rechtwinklig zueinander liegen. Die Verbindungen sind zwar

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nicht dargestellt, doch ist in Figur 7B die Vorspannung an die Leiter 92, 80, 95 und 83 angelegt. Die Leiter 89, 90, 85 und 86 liegen an Masse. Dieses Anschlußschema der Versorgungsenergie kann auch umgekehrt werden. Die Hall-Ausgangsspannung kann an den Leitern 81 und 82 abgegriffen werden. Der Leiter 81 ist mit den Leitern 88, 94 und 87 verbunden. Der Leiter 82 ist mit den Leitern 91, 83 und 84 verbunden. Auf diese Weise sind die Hall-Spannungskontakte parallel geschaltet.

Bei der bevorzugten Ausführungsform hat die optimale Hall-Platte die Form eines Rhombus mit gleichen Seitenlängen. Bei einer Anordnung in einem rechtwinkligen Paar ergibt sich eine Reduzierung der Restspannung aufgrund einer Reduzierung der Beanspruchungsspannung. Durch Parallelschalten dieser rechtwinkligen Paare mit weiteren rechtwinkligen Paaren wird nicht nur die Löschung dieser Beanspruchungsspannung, sondern auch eine durch oben erwähnte Gründe bewirkte Restspannungslöschung erzielt.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwar nur zwei rechtwinklige Paare zum Aufbau des bevorzugten Bauelements dargestellt worden, doch ist zu erkennen, daß die Erfindung nicht auf die Kombination von zwei Paaren beschränkt ist; es können auch mehrere Paare hinzugefügt werden. Außerdem ist zwar das bevorzugte rhombusförmige Bauelement dargestellt, doch können auch rechtwinklige Bauelemente oder Bauelemente mit anderen gewünschten Formen in der gleichen Weise benutzt werden.

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Als "bevorzugte Ausführungsform für den Körper des Hall-Generators ist ein η-leitendes epitaktisches Material angegeben worden, doch stellt dies keine Einschränkung auf ein solches Material dar; es können auch andere Halbleitermaterialien und Metalle eingesetzt werden. Die Metalle und die anderen Materialien sind dem Fachmann bekannt. Auch die Parallelschaltung der rechtwinkligen Paare ist für eine Anwendung in aktiven Halbleiter-Bauelementen gedacht. Wie bereits erwähnt wurde, ist es auch bekannt, daß Verstärker und Hysterese-Elemente an den Ausgang der rechtwinkligen Paare zu verschiedenen Zwecken, beispielsweise zum Schalten und für lineare Anwendungsfälle angeschlossen werden können.

8 o 9 8 31 /1 ο ι a

Claims

Patentansprüche

1.yHall-Generator, gekennzeichnet durch

(a) wenigstens zwei auf einem Halbleiterkörper gebildete Hall-Platten mit Jeweils zwei einander gegenüberliegend angebrachten Stromkontakten und zwei einander gegenüberliegend angebrachten Hall-Spannung skontakt en, wobei die beiden Kontaktpaare relativ zueinander so angeordnet sind, daß eine die Stromkontakte einer Hall-Platte halbierende Linie im wesentlichen senkrecht zu einer die Stromkontakte der anderen Hall-Platte halbierenden Linie verläuft,

(b) eine Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an die Stromkontakte der beiden Hall-Platten,

(c) eine Vorrichtung zum selektiven Anlegen eines Mag-

809031/101«

^ b ü 4 3 7 3

netfeldes, das die Hall-Platten im wesentlichen senkrecht zu ihrer Ebene schneidet,

(d) eine Vorrichtung zum Verbinden der positiven Hall-Spannungskontakte jeder Hall-Platte, sowie eine Vorrichtung zum Verbinden der negativen Hall-Spannungskontakte Jeder Hall-Platte, wobei die Hall-Spannungen aus dem Anlrgen des Magnetfeldes resultieren, und

(e) eine an die Verbindungsvorrichtungen angeschlossene Ausgangsvorrichtung für den Empfang und die übertragung eines resultierenden elektrischen Signals, das das die Hall-Platten schneidende Magnetfeld anzeigt.

2. Hall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten aus Halbleitermaterial bestehen.

3. Hall-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten gleich ausgebildet sind und eine rechtwinklige Form aufweisen, wobei die Stromkontakte an den kürzeren Seiten der Breite V und die Hall-Spannungskontakte an den längeren Seiten der Länge L angebracht sind.

4. Hall-Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rechtwinkligen Hall-Platten derart dimensioniert sind, daß das Verhältnis W/L größer als 0,75 und kleiner als 1,2 ist.

5. Hall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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7 b U 4 J 7 3

daß die Hall-Platten aus Metall bestehen.

6. Hall-Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten gleich ausgebildet sind und eine rechtwinklige Form aufweisen, wobei die Stromkontakte an den kürzeren Seiten der Breite W und die Hall-Spannung skontak te an den längeren Seiten der Länge L angebracht sind.

7. Hall-Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rechtwinkligen Hall-Platten derart dimensioniert sind, daß das Verhältnis W/L größer als 0,75 und kleiner als 1,2 ist.

8. Hall-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten im wesentlichen wie gleiche abgeschnittene Dreiecke geformt sind, deren Längen im wesentlichen senkrecht zeinander angeordnet sind, wobei jede Hall-Platte einen Stromkontakt am abgeschnittenen Scheitelpunkt des Dreiecks und einen weiteren Stromkontakt an der Basis des Dreiecks aufweist, während die Spannungskontakte an den gegenüberliegenden Seiten des Dreiecks zwischen den Stromkontakten angebracht sind.

9. Hall-Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten im wesentlichen wie gleiche abgeschnittene Dreiecke geformt sind, deren Längenim wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei jede Hall-Platte einen Stromkontakt am abgeschnittenen Scheitelpunkt des Dreiecks und einen weiteren Stromkontakt an der Basis des Dreiecks aufweist, während die Spannungskontakte an den gegenüberliegenden Seiten des Dreiecks zwischen den Stromkontakten angebracht sind.

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10. liall-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten rhombusförmig sind, wobei die Stromkontakte an gegenüberliegenden Spitzen der rhombusförmigen Platte und die Hall-Spannungskontakte an den anderen Spitzen angeordnet sind.

11. Hall-Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenlängen der rhombusförmigen Hall-Platten gleich sind und daß die Stromkontakte und die Hall-Spannungskontakte vertauschbar sind.

12. Hall-Generator nach Anspruch 5_t dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten rhombusförmig sind, wobei die Stromkontakte an gegenüberliegenden Spitzen der rhombusförmigen Platte und die Hall-Spannungskontakte an den anderen Spitzen angeordnet sind.

13. Hall-Generator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenlängen der rhombusförmigen Hall-Platten gleich sind und daß die Stromkontakte und die Hall-Spannungskontakte vertauschbar sind.

14. Hall-Generator, gekennzeichnet durch

(a) wenigstens zwei Hall-Plattenpaare auf einem Halbleiterkörper, wobei die Hall-Platte jedes Paares zwei gegenüberliegend angebrachte Stromkontakte und zwei gegenüberliegend angebrachte Spannungskontakte aufweist , die relativ zueinander so angebracht sind, daß eine die Stromkontakte einer Hall-Platte halbierende Linie im wesentlichen senkrecht zu der die Stromkontakte der anderen Hall-Platte des Paares halbierenden Linie liegt, während die zwei Hall-Plattenpaare relativ zueinander so ange-

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ordnet sind, daß alle Linien, die Stromkontakte halbieren, senkrecht zueinander verlaufen,

(c) eine Vorrichtung zum selektiven Anlegen eines Magnetfeldes, das die Hall-Platten im wesentlichen senkrecht zu ihrer Ebene schneidet,

(d) eine Vorrichtung zum Verbinden der positiven Hall-Spannungskontakte jeder Hall-Platte, sowie eine Vorrichtung zum Verbinden der negativen Hall-Spannungskontakte jeder' Hall-Platte, wobei die Hall-Spannungen aus dem Anlegen des Magnetfeldes resultieren, und

15. Hall-Generator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten aus Halbleitermaterial bestehen.

16. Hall-Generator nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten gleich ausgebildet sind und eine rechtwinklige Form aufweisen, wobei die Stromkontakte an den kürzeren Seiten der Breite ¥ und die Hall-Spannungskontakte an den längeren Seiten der Länge L angebracht sind.

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17. Hall-Generator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die rechtwinkligen Hall-Platten derart dimensioniert sind, daß das Verhältnis W/L größer als 0,75 und kleiner als 1,2 ist.

18. Hall-Generator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten aus Metall bestehen.

19. Hall-Generator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten gleich ausgebildet sind und eine rechtwinklige Form aufweisen, wobei die Stromkontakte an den kürzeren Seiten der Breite ¥ und die Hall-Spannungskontakte an den längeren Seiten der Länge L angebracht sind.

20. Hall-Generator nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die rechtwinkligen Hall-Platten derart dimensioniert sind, daß das Verhältnis W/L größer als 0,75 und kleiner als 1,2 ist.

21. Hall-Generator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten im wesentlichen als gleiche abgeschnittene Dreiecke geformt sind, deren Längen im wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei Jede Hall-Platte einen Stromkontakt beim abgeschnittenen Scheitel des Dreiecks und einen Stromkontakt an der Basis des Dreiecks aufweist, während die Hall-Spannungskontakte angrenzend an die gegenüberliegenden Seiten des Dreiecks zwischen den Stromkontakten angebracht sind.

22. Hall-Generator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten rhombusförmig sind, wobei die Stromkontakte an gegenüberliegenden Spitzen der rhom-

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busförmigen Platte und die Hall-Spannungskontakte an den anderen Spitzen angeordnet sind.

23. Hall-Generator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenlängen der rhombusförmigen Hall-Platten gleich sind und daß die Stromkontakte und die Hall-Spannungskontakte vertauschbar sind.

24. Hall-Generator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten rhombusförmig sind, "wobei die Stromkontakte an gegenüberliegenden Spitzen der rhombusförmigen Platte und die Hall-Spannungskontakte an den anderen Punkten angeordnet sind.

25. Hall-Generator nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenlängen der rhombusförmigen Hall-Platten gleich sind und daß die Stromkontakte und die Hall-Spannungskontakte vertauschbar sind.

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