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Die Erfindung betrifft ein spezielles und bekanntes magnetfeldempfindliches
Bauelement, welches auf einer Feldeffekttransistor-(FET)-Struktur mit einer Drain-
Zone, die in zwei Teile geteilt (gesplittet) ist, welche jeweils mit einem Drain-
Kontakt verbunden sind, einer Gate-Kontaktzone und einer gemeinsamen Source-
Zone basiert. In der Literatur wird das oben beschriebene Bauelement als
magnetfeldempfindlicher Split-Drain-Feldeffekttransistor bezeichnet, allgemein als
MAGFET abgekürzt. MAGFETs werden zum Erfassen und Messen des
Vorhandenseins, der Größe und/oder der Richtung eines Magnetfelds verwendet. Die
Ausgangsgröße ist eine Stromdifferenz, welche im wesentlichen proportional zum
Magnetfeld (magnetische Induktion) ist. Die Empfindlichkeit des Bauelements ist
durch den Absolutwert des Verhältnisses zwischen gemessener Stromdifferenz (in
Ampere) und magnetischer Induktion (in Tesla) definiert.
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Das Arbeitsprinzip basiert auf der Lorentz-Kraft, welche auf sich in einem
magnetischen Feld bewegende elektrisch geladene Partikel wirkt.
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F = qV · B
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wobei q eine skalare Größe ist, welche die vorzeichenbehaftete elektrische Ladung
des Partikels/der Partikel darstellt, F, V und B sind vektorielle Größen, welche die
Ablenkkraft, die Partikelgeschwindigkeit bzw. die Magnetfeldinduktion (oder
magnetische Flußdichte) darstellen. Die Größe von F wird maximal, wenn V und B
zueinander senkrecht sind.
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Die Lorentz-Kraft ist der gemeinsame Ursprung des Arbeitsprinzips für viele Arten
von magnetfeldempfindlichen Bauelementen, wie etwa Hall-Effekt-Strukturen,
magnetfeldempfindliche Bipolartransistoren, und die oben erwähnten
magnetfeldempfindlichen FET Strukturen, die MAGFETs.
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MAGFETs haben aufgrund ihrer Kompatibilität mit einer Standard-
Siliziumverarbeitung für Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (CMOS), welche
eine unkomplizierte monolithische Integration mit einer zugehörigen analogen
und/oder digitalen elektronischen Schaltungsanordnung erlaubt, weite Verbreitung
gefunden. MAGFETs bringen gute Charakteristiken mit, wie etwa eine relativ hohe
Empfindlichkeit gegenüber magnetischer Induktion, gute Linearität, sowie sehr
niedrige Kosten. Jedoch sind MAGFETs auch durch eine annehmbare bis geringe
Genauigkeit bei niedriger magnetischer Induktion gekennzeichnet, hauptsächlich
bedingt durch Offset-Fehler zwischen den Split-Drains (z. B. ist die Ausgabegröße
< > 0 für B = 0). Weiter ist dieser Offset unter anderem eine komplizierte
Funktion der Temperatur, was die Verwendbarkeit von MAGFETs für hochpräzise
Messungen schwacher Magnetfelder drastisch einschränkt.
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Magnetfeldsensoren verschiedener Arten sind z. B. in EP-A1-0 563 630 und US A-5
208 477 beschrieben.
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Im ersten Patent wird ein magnetfeldempfindliches Bauelement in Form eines
lateralen Bipolartransistors beschrieben, welcher eine Basiszone des einen Typs, eine
Emitterzone des entgegengesetzten Typs zum Emittieren von geladenen Trägern,
und eine Kollektorzone zum Sammeln der Träger besitzt und an welchem zwei
Metallkontakte befestigt sind, um den Kollektorstrom aufzuteilen. Ein nicht 0
betragendes magnetisches Feld bewirkt eine Lorentz Ablenkung der Träger, wodurch
die Kollektorstromverteilung verändert wird und ein Differenzstrom zwischen den
zwei Kollektorkontakten gemessen werden kann.
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Im zweiten Patent werden unterschiedliche magnetfeldempfindliche MOSFET-
Bauelemente beschrieben, z. B. eine Ausführungsform, welche auf dem bekannten
MAGFET basiert, jedoch als charakteristisches Kennzeichen einen
widerstandsbehafteten Gate-Zone mit sich bringt, unter welchem ein günstiges elektrisches
Feldprofil im Kanal erhalten werden kann, wodurch eine bessere Kontrolle der
Trägerdichte im Kanal für eine gegebene Gate-Vorspannung bewirkt wird, was wiederum
zu einer erhöhten Empfindlichkeit der Struktur führt.
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Der Zweck der Erfindung ist, das bekannte Split-Drain-MAGFET Bauelement
durch strukturelle Modifikationen zu verbessern, welche die unerwünschten Offset-
Fehler deutlich vermindern können, und dadurch die Einsetzbarkeit und
Leistungsfähigkeit dieses Bauelementtyps zu verbessern.
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Gemäß der Erfindung wird dies erzielt, indem die MAGFET Gate-Zone in zwei
gleich große, elektrisch isolierte und aneinander angrenzende, jedoch einander
nicht überlappende Gate-Zonen, die jeweils über einen separaten Gate-Kontakt
zugänglich sind, nachfolgend mit G1 und G2 bezeichnet, aufgeteilt wird. Zwischen
G1 und G2 und diese geringfügig überlappend ist eine dritte Gate-Zone angeordnet.
Diese dritte Gate-Zone ist elektrisch von G1 und G2 isoliert und über einen mit Gc
bezeichneten Gate-Kontakt zugänglich.
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Das Bauelement ist derart dimensioniert, das es das folgende Verhalten aufweist:
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Bei einer gewissen an Gc angelegten charakteristischen Spannung (bezogen auf den
gemeinsamen Source-Anschluß) wird der unter Gc befindliche Kanal in
abgereicherten Zustand gebracht, was ein Isolationsgebiet unter Gc erzeugt, welches den
Austausch von Trägern zwischen den unter G1 und G2 befindlichen Kanälen
wirksam blockiert. In diesem Fall werden die zwei Drain-Ströme durch jegliches
angelegtes Magnetfeld nicht beeinflußt. Durch Ändern der Spannung an Gc auf eine
andere charakteristische Spannung wird der unter Gc befindliche Kanal in stark
invertierten Zustand gebracht, was eine leitende Zone unter Gc erzeugt und einen
fast freien Austausch von Trägern zwischen den Kanälen unter G1 und G2
ermöglicht. In diesem Fall werden die zwei Drain-Ströme durch ein angelegtes
Magnetfeld beeinflußt.
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Durch Umschalten der an Gc anliegenden Gate-Spannung zwischen den zwei
charakteristischen Spannungen für Abreicherung bzw. für starke Inversion kann die
Magnetfeldempfindlichkeit des Bauelements von praktisch 'Null' auf volle
(maximale) MAGFET Empfindlichkeit umgeschaltet werden.
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Mit anderen Worten ist die Magnetfeldempfindlichkeit des Bauelements elektrisch
steuerbar und die mit dem Umschalten der Empfindlichkeit verbundene
Zeitverzögerung liegt an der unteren Grenze, die durch die Erzeugung/Rekombination von
Trägern in den Kanalzonen bestimmt ist und als solche sehr gering ist, d. h.
typischerweise weniger als 1 us.
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Der Drain einen Meßfehler verursachende Strom-Offset von MAGFETs, rührt
hauptsächlich von unbeabsichtigten und unvermeidbaren Abweichungen von der
absoluten geometrischen Bauteil-Symmetrie, Mobilitäts-Inhomogenitäten und
Schwankungen in den unterhalb der Gate-Zonen befindlichen Kanälen. Da diese
Nicht-Idealitäten von der Änderung der Spannung an Gc praktisch unbeeinflußt
bleiben, unterscheidet sich der Bauelement-Offset zwischen Null- und Voll-
Empfindlichkeits-Betriebsmodus im wesentlichen nicht.
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Dieses Verhalten erlaubt eine einfache und effektive Kompensation des Offset durch
das sogenannte 'korrelierte Doppel Abtasten', sogar falls der Offset
temperaturabhängig und geringfügig zeitabhängig ist: Durch nullsetzen der
Magnetfeldempfindlichkeit des Bauelements kann die Drainstrom-Differenz, die in diesem Fall gleich
dem Offset ist, gemessen und vorübergehend gespeichert werden. Wenn die
Magnetfeldempfindlichkeit des Bauelements dann so schnell wie möglich durch
Um
schalten der an Gc anliegenden Spannung auf den korrekten Pegel wieder auf das
volle Niveau zurückgeht, stellt die Drainstrom-Differenz nun die magnetische
Induktion plus den inhärenten Offset dar. Durch Subtrahieren des in der ersten
Messung erhaltenen gespeicherten Offset vom Ergebnis der zweiten Messung stellt der
sich ergebende Wert die Magnetfeldinduktion dar, in welcher kein Offset Anteil
enthalten ist. Das 'korrelierte Doppelabtasten' kann durch einfache und bekannte
elektronische Schaltungstechnik realisiert werden.
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Falls der Offset zeitlich schwankt, müssen die zwei Messungen (Abtastungen) mit
einer so gering wie möglichen Verzögerung durchgeführt werden. Wie oben
erwähnt, ist die untere Grenze durch einen Erzeugungs-Rekombinations-
Mechanismus im Bauelement festgelegt und liegt in der Größenordnung von T = 1
us. Wenn die Zeitkonstante für die Offset-Änderung deutlich größer als diese
untere Grenze ist, wird eine sehr gute Kompensation erzielt. Die hauptsächlichen
Beiträge zum Offset, die geometrische und elektrische Asymmetrie, 1/f-Rauschen und
Mobilitäts-Uneinheitlichkeit weisen alle Zeitkonstanten auf, die weit über 1 us
liegen.
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Bedingt durch die Merkmale dieser Erfindung wird das Bauelement nachfolgend als
'geschaltetes MAGFET' oder SMAGFET bezeichnet.
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In der ersten und einfachsten Ausführungsform der Erfindung ist das SMAGFET
symmetrisch gebaut und wird wie obenstehend verwendet. Die dritte Gate-Zone
ist, im Vergleich zur Breite der Gate-Zonen von G1 und G2, schmal genug, um die
Kantenwirkung beim Umschalten der Spannung an diesem Gate zu vermindern.
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In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das einfache SMAGFET mit
zwei zusätzlichen 'blinden' Gate-Zonen Gcd1 und Gcd2 'veredelt'. Die zwei
zusätzlichen 'blinden' Gate-Zonen sind mit einem gemeinsamen Kontakt Gcd
verbunden.
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Dadurch, daß man jeder bei der einfachen Ausführungsform offenen Seite eine
Gate-Zone hinzugefügt und der zugehörige Gate-Kontakt Gcd mit entgegengesetzter
Phase zur Umschaltung von Gc umgeschaltet wird, kann die Kantenwirkung im
Kanal unter Gc teilweise durch die Kantenwirkung in den Zonen unter den zwei
'blinden' Gate-Zonen kompensiert werden.
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In einer dritten Ausführungsform der Erfindung besteht das SMAGFET aus einer
untereinander verbundenen Anordnung von zwei SMAGFETs gleicher Größe.
Dadurch, daß die beiden Bauelemente geeignet untereinander verbunden und
angeordnet werden, können kleinere Versetzungen des dritten Gates, bei welchem es sich
um eine typischerweise beobachtete Abweichung von der idealen Symmetrie in
praktischen Bauelementen handelt, kompensiert werden.
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Im Folgenden werden die drei Ausführungsformen detailliert mit Bezug auf das
bekannte MAGFET und die zugehörigen Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 ist eine Skizze einer Draufsicht des bekannten MAGFET, welches
Ausgangspunkt dieser Erfindung ist.
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Fig. 2 ist eine Skizze einer Draufsicht, welche die erste und einfachste
Ausführungsform des SMAGFET darstellt.
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Fig. 3 ist ein Entwurf, welcher die erste und einfachste Ausführungsform des
SMAGFET, jedoch in perspektivischer Ansicht darstellt.
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Fig. 4 ist eine Skizze einer Draufsicht, welche das in Fig. 3 dargestellte
SMAGFET darstellt.
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Fig. 5 ist eine Skizze, welche die zweite Ausführungsform des SMAGFET in
perspektivischer Ansicht darstellt.
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Fig. 6 ist eine Skizze, welche die dritte Ausführungsform des SMAGFET in
perspektivischer Ansicht darstellt.
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Das bekannte MAGFET, welches den Stand der Technik darstellt, ist in Fig. 1
gezeigt. Die beiden Drain-Kontakte gleicher Größe sind mit 3 bzw. 4 bezeichnet.
Der gemeinsame Gate-Kontakt ist mit 2 bezeichnet und der gemeinsame Source-
Kontakt ist mit 1 bezeichnet.
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Unter Verwendung einer ähnlichen Draufsicht zeigt Fig. 2 das geschaltete
MAGFET oder das SMAGFET gemäß der Erfindung. Die zwei Drain-Kontakte
gleicher Größe sind mit 3 bzw. 4 bezeichnet. Die zwei Gate-Kontakte G1 und G2,
welche die zwei Gate-Zonen gleicher Größe verbinden, sind mit 5 bzw. 6
bezeichnet. Der dritte Gate-Kontakt Gc, welcher sich auf der vertikalen Symmetrielinie
des Bauelements beimdet, ist mit 7 bezeichnet und der gemeinsame Source-Kontakt
ist mit 1 bezeichnet.
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Dadurch, daß an Gc (7) unterschiedliche Spannungen bezogen auf den
gemeinsamen Source-Anschluß (1) angelegt werden, kann die Magnetfeldempfindlichkeit des
SMAGFET gesteuert werden. Typischerweise wird die Spannung an Gc abrupt
zwischen zwei charakteristischen Spannungen umgeschaltet, welche zwei
unterschiedliche Empfindlichkeitsmodi darstellen, und zwar Voll- und Null-
Empfindlichkeit.
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Im Voll-Empfindlichkeitsmodus sollte die Spannung an Gc (7) (bezogen auf den
gemeinsamen Source-Anschluß 1) größer sein als die Schwellenspannung VT3 für
den dritten Gate-Anschluß Gc (7), welche die starke Inversion unter Gc (7)
gewährleistet. In diesem Fall treffen die unter G1 (5), G2 (6) und Gc (7) befindlichen
Träger auf keine nennenswerten Barrieren, wenn sie durch eine von einem
angelegten Magnetfeld herrührende Lorentz-Kraft abgelenkt werden, und die
Empfindlichkeit, d. h. die Drainstrom-Differenz bezogen auf die angelegte magnetische
Induktion liegt sehr nahe bei der Empfindlichkeit für das bekannte MAGFET.
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Beim Null-Empfindlichkeitsmodus sollte die an Gc (7) angelegte Spannung etwas
weniger als VT3 betragen, was eine Abreicherung des unter Gc (7) befindlichen
Kanals gewährleistet, und dadurch werden die Träger aus dem Kanal entfert. In
diesem Fall können unter G1 (5) und G2 (6) befindliche Träger die unter Gc (7)
befindliche Zone nicht überqueren, wenn diese eine gewisse minimale Breite
besitzt. Die Lorentz-Kraft, welche im Fall eines angelegten Magnetfeldes auf die in
den Kanälen unterhalb G1 (S) und G2 (6) befindlichen Träger einwirkt, führt dann
nicht dazu, daß irgendein Trägeraustausch über die Symmetrielinie erfolgt, und
tragen daher in keiner Weise zum Differenz-Drainstrom bei, d. h. in diesem Modus
ist die Empfindlichkeit der magnetischen Induktion praktisch Null.
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Der inhärente Offset im SMAGFET, welcher durch die in der Praxis
unvermeidbaren Abweichungen von der genauen geometrischen und elektrischen Symmetrie der
Split-Drains bedingt ist, ist in erster Ordnung unabhängig vom
Empfindlichkeitsmodus der Operation. Da der SMAGFET (fast) abrupt zwischen keiner (Null) und
voller Empfindlichkeit gegenüber magnetischer Induktion umgeschaltet werden
kann, kann die bekannte 'korrelierte Doppel Abtast' Technik wirksam eingesetzt
werden, um diesen Offset zu kompensieren. Eine zugehörige elektronische
Schaltung kann ein 'korreliertes Doppel-Abtasten' realisieren, indem zwei Messungen
innerhalb kurzer Zeit vorgenommen werden. Bei der ersten Messung wird der
SMAGFET auf den Null-Empfindlichkeitsmodus eingestellt und der Drain-
Differenzstrom wird gemessen und vorübergehend gespeichert. Dieser Wert stellt
lediglich den Offset dar. Als nächstes wird der SMAGFET auf den Voll-
Empfindlichkeitsmodus umgeschaltet und die zweite Messung durchgeführt. Vom
Meßwert (eine zur magnetischen Induktion proportionale Größe zuzüglich dem
Offset) wird dann der gespeicherte Wert (Offset) abgezogen und das Resultat ergibt
die magnetische Induktion allein. Dieser Ablauf kann so oft wie erforderlich
wiederholt werden.
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In Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der einfachen SMAGFET-
Ausführungsform dargestellt. Eine Draufsicht von gleicher Struktur ist in Fig. 4
dargestellt. Die Bezugszeichen und die zugehörige Beschreibung entspricht der
obigen (Fig. 2).
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Einige zusätzliche Details des SMAGFET sind in Fig. 3 offenbart: Die mit 8
bezeichnete Schicht stellt die Isolationsschicht zwischen G1 (5) und G2 (6) und die
Kanäle zwischen G1 (5) und G2 (6) dar. Die mit 9 bezeichnete Schicht stellt die
Isolationsschicht zwischen Gc (7) und G1 (5), G2 (6) und dem Kanal unter Gc (7)
dar.
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Die Gate-Anschlüsse G1 (5) und G2 (6) bestehen typischerweise aus Polysilizium.
Der dritte Gate-Anschluß besteht aus einer zweiten Schicht von Polysilizium. Die
Isolationsschichten (8, 9) bestehen typischerweise aus Siliziumdioxid. Die Drain-
Zonen (3, 4) und die gemeinsame Source-Zone (1) bestehen aus dotiertem
Silizium.
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Das SMAGFET muß als planare Feldeffektstruktur hergestellt werden. Das
Bauelement ist symmetrisch zur Mittellinie von Gc (7) (parallel zum Stromfluß). Die
Struktur beinhaltet als charakteristische Merkmale zwei Drain-Zonen gleicher
Größe (3, 4), zwei Gate-Zonen gleicher Größe (5, 6) mit zugehörigen isolierten Gate-
Anschlüssen, eine dritte isolierte Gate-Zone und einen zwischen G1 (5) und G2 (6)
angeordneten zugehörigen Gate-Anschluß Gc (7), welcher sich auf der
Symmetrielinie befindet und gleichermaßen einen geringen Teil von G1 (S) und G2 (6)
überlappt. Der gemeinsame Source-Anschluß ist (1).
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Normalerweise sind die Vorspannungen bei G1 (5) und G2 (6) auf den gleichen
Wert eingestellt. In ähnlicher Weise sind die Spannungen an den Drain-
Anschlüssen (5, 6) auf den gleichen Wert eingestellt. Der Pegel des Source-Stroms
wird durch die Spannungsdifferenz zwischen G1 (5) und dem gemeinsamen Source-
Anschluß (1), und G2 (6) und dem gemeinsamen Source-Anschluß (1), sowie die
Spannungen an den Drain-Anschlüssen (3, 4), die beide auf den gemeinsamen
Source-Anschluß (1) bezogen sind, gesteuert.
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Falls das magnetische Feld Null beträgt, erfolgt der Stromtransport in der Struktur
senkrecht von den zwei Drain-Anschlüssen (3, 4) weg und senkrecht zum
gemeinsamen Source-Anschluß (1) hin. Der Stromtransport wird in Inversionsschichten in
den unter G1 (5) und G2 (6) befindlichen Kanälen durchgeführt. Idealerweise sind
die in die beiden Drain-Anschlüsse hinein verlaufenden Ströme gleich groß und
sind genau halb so groß wie der aus dem gemeinsamen Source-Anschluß (1) heraus
verlaufende Strom.
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Falls ein senkrecht zur planaren Oberfläche des SMAGFET verlaufendes
Magnetfeld nicht Null beträgt, verläuft der Stromtransport in der Struktur von den beiden
Drain-Anschlüssen (3, 4) weg zum gemeinsamen Source Anschluß (1) hin. Jedoch
versucht die durch das Magnetfeld bewirkte Lorentz-Kraft, die auf die sich
bewegenden Träger wirkt, die Träger in einer Ebene parallel zur Bauelementoberfläche
abzulenken. Falls das SMAGFET im Null-Empfindlichkeitsmodus betrieben wird,
wird im Kanal ein die Lorentz-Kraft kompensierendes elektrisches Feld erzeugt,
und zwischen den zwei Drain-Anschlüssen (3, 4) erfolgt keine Rückverteilung des
Stroms. Falls das SMAGFET im Voll-Empfindlichkeitsmodus betrieben wird,
werden die Träger abgelenkt, was eine (geringfügige) Strom-Rückverteilung zwischen
den zwei Drain-Anschlüssen (3, 4) bewirkt. Die entstandene Drainstrom-Differenz
ist proportional zur magnetischen Induktion.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Die
Anmerkungen für die Fig. 3 und 4 finden auch auf diese Figur Anwendung, mit den
folgenden Zusätzen: Die zwei in Fig. 5 dargestellten 'blinden' Gate-Zonen Gcd1 und
Gcd2 (10, 11) wurden bei dieser Ausführungsform hinzugefügt, um die unter Gc
(7) vorhandenen und sich geringfügig unterscheidenden Kantenwirkungen zu
kom
pensieren, wenn der SMAGFET in Voll- oder Null-Empfindlichkeitsmodus
betrieben wird. Da es wichtig ist, in beiden Empfindlichkeitsmodi die gleiche effektive
Breite der Kanäle unter G1 (5) und G2 (6) beizubehalten, um zu gewährleisten, daß
sich der Offset zwischen den zwei Modi nicht ändert, können die 'blinden' Gate-
Zonen Gcd1 und Gcd2 (10, 11) mit einer auf dem gleichen Pegel befindlichen
Spannung 'geschaltet' werden, wobei jedoch die an Gc (7) angelegte
Spannungsphase entgegengesetzt ist. Dadurch bleibt die effektive Breite von G1 (5) und G2
(6) bei Modiänderungen praktisch unverändert, da bei beiden Modi die Breite
durch die gleiche Summe von Kantenwirkungen gesteuert wird.
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Die an Gcd1 und Gcd2 angelegte Spannung kann erzeugt werden, indem die für Gc
(7) verwendete Umschaltspannung invertiert wird.
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Die dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Die
Anmerkungen für die Fig. 3 und 4 finden auch für diese Figur Anwendung, mit den folgenden
Zusätzen:
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In der Praxis ist der dritte Gate-Anschluß Gc (7) (unbeabsichtigt) oft etwas zur
Symmetrielinie des einfachen SMAGFET Bauelements versetzt. Diese Asymmetrie
ergibt einen geringfügig modusabhängigen Offset, was eine vollständige Offset-
Kompensation durch 'korreliertes Doppel-Abtasten' verhindert.
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Dadurch, daß ein einfacher SMAGFET auf jeder Seite einer Symmetrielinie
angeordnet ist, und die Anschlüsse wie in Fig. 6 dargestellt verbunden sind, ist es
möglich, eine Auslöschung erster Ordnung von versetzten (nicht symmetrischen)
SMAGFETs zu erzielen.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind mit den meisten
modernen Herstellungsprozessen für Doppel-Poly-CMOS kompatibel und können
mit den meisten analogen und/oder digitalen Schaltungsanordnungen ohne weiteres
monolithisch integriert werden.
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Jedoch ist die Erfindung nicht auf die Silizium Technologie und/oder gewöhnliche
Basismaterialien beschränkt. Das SMAGFET Konzept kann mit anderen
Mikroschaltungs-Technologien, wie etwa GaAs-basierter Technologie realisiert
werden. Die Schlüsselanforderungen sind eine große Hall-Mobilität der Träger und ein
gut charakterisierter Schwellenspannungspegel des dritten Gate-Anschlusses.