EP1114472A2 - Sensor zur messung eines magnetfeldes - Google Patents

Sensor zur messung eines magnetfeldes

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Publication number
EP1114472A2
EP1114472A2 EP99953539A EP99953539A EP1114472A2 EP 1114472 A2 EP1114472 A2 EP 1114472A2 EP 99953539 A EP99953539 A EP 99953539A EP 99953539 A EP99953539 A EP 99953539A EP 1114472 A2 EP1114472 A2 EP 1114472A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
anode layer
anode
magnetic field
sensor according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99953539A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jakob Schelten
Ralf Lehmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1114472A2 publication Critical patent/EP1114472A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for measuring a magnetic field, which is constructed from a plurality of electrically semiconducting layers.
  • Sensors for measuring a magnetic field are used in many areas today. They are used, for example, in automation, control and measuring technology to measure non-contact distances, determine speeds or check positioning.
  • miniaturized magnetic field sensors read digital data that is magnetically stored on hard drives, for example.
  • Sensitive magnetic field sensors are used in non-destructive material testing to detect material defects.
  • highly sensitive sensors are used to quantitatively record biomagnetism.
  • the sensors have to meet very different requirements. This can be achieved with sensors that are made of different materials (such as metals, semiconductors or superconductors) and that are based on different physical principles.
  • the individual sensors can be roughly divided into the following types:
  • magnetoresistive AMR sensors which consist of a homogeneous thin magnetic metal layer made of NiFe, for example,
  • GMR sensors which consist of at least two magnetic metal layers and a non-magnetic metal layer, and [5] SQUIDS of the superconductors Nb or YBCO, whose working temperature is 4K or 80K.
  • the sensitivity of the sensors to a magnetic field or a change in the magnetic field increases constantly in the above list from top to bottom.
  • the cause of the change in resistance in the field plates [1] and for the Hall voltage [2] is the Lorentz force that arises on electrical charges when they move in the magnetic field.
  • the change in resistance is based on magnetic scattering of the conduction electrons, which changes with the direction of the magnetization relative to the current direction.
  • the magnetic behavior is determined by the principle that the magnetic flux in a superconducting ring must be an integral multiple of the elementary flux quantum.
  • the object of the present invention is to provide a sensor for measuring a magnetic field which is very sensitive and can therefore already be used for measuring very small magnetic fields or for measuring changes in magnetic fields. It should also be operable at room temperature and should not show any hysteresis.
  • the sensor according to the invention as claimed in claim 1 which consists of a plurality of electrically semiconducting layers which are arranged in the form of a diode or pin diode connected in the reverse direction.
  • This layer arrangement comprises an anode layer, a cathode layer and an intrinsically conductive layer enclosed between them.
  • the anode layer is divided into a plurality of anode layer regions which are insulated from one another by insulation sections, for example in the form of insulation strips.
  • the cathode layer has an oppositely doped injector region on the regions opposite the insulation sections.
  • the anode layer and the cathode layer are connected to a reverse voltage, so that the layer arrangement is biased in the reverse direction.
  • An injection chip is attached to the injector area in the cathode layer. created.
  • an electron beam is formed between the injector region and the anode, in that injected electrons move from the injector region on the cathode to the opposite anode.
  • the electron beam is broadened due to thermal diffusion.
  • This widened electron beam now strikes the individual anode layer regions isolated from one another.
  • the anode layer regions are individually connected to earth via respective current measuring devices. Depending on the number of anode layer regions, a corresponding part of the total electron beam will thus strike each individual anode layer region. This part of the electron beam can be measured in the form of a current with the respective current measuring device.
  • the Lorenz force is exerted on the drifting electrons, which leads to a deflection of the electron beam.
  • This deflection of the electron beam has the effect that other subsets of the entire electron beam now strike the individual anode layer regions isolated from one another, which leads to a corresponding change in the partial currents of the anode layer regions.
  • the magnetic field can be calculated from this change in the partial currents.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional view of the sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a cross section of the sensor according to the invention with the voltage supply applied
  • FIG. 3 shows a view as in FIG. 2, the course of the electron beam and the magnetic field also being shown;
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the sensor according to the invention for measuring a magnetic field.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional view of the sensor according to the invention for measuring a magnetic field. It consists of a layer package made of electrically semiconducting layers.
  • the top layer is the cathode layer 2, which in the example shown here consists of a p-doped layer.
  • the bottom layer is the anode layer 4, which in the example shown here consists of an n-doped layer.
  • An intrinsically conductive layer 3 is arranged between these layers.
  • the anode layer 4 is divided into a plurality of anode layer regions which are insulated from one another.
  • the anode layer 4 is divided into two anode layer regions 4a and 4b.
  • An insulation section 5 is arranged between the anode layer regions 4a and 4b for the mutual insulation of these regions.
  • it is designed in the form of an insulation strip.
  • the cathode layer 2 has a so-called injector region 1 in the region that lies opposite the insulation section 5 of the anode layer 4. In this case it has an n doping.
  • FIG. 2 now shows how this layer package of the sensor according to the invention is electrically connected.
  • the layer package is shown in cross section.
  • the p-doped cathode layer 2, into which the n-doped injector region 1 is inserted in the middle, can be seen on the left-hand side.
  • the two anode layer regions 4a and 4b, which are insulated from one another by the insulation section 5, are shown on the right-hand side.
  • the intrinsically conductive layer 3 is located between the anode and the cathode.
  • the individual anode layer regions 4a, 4b are each connected to earth via current measuring devices 8a and 8b which are indicated schematically here.
  • the current flowing through the current measuring device of the upper anode layer region 4a is denoted by J1 and the current flowing through the current measuring device of the lower anode layer region 4b is denoted by Jr.
  • a reverse voltage source 7 is now connected to the cathode layer 2, as a result of which the negative voltage -U2 is applied here.
  • the blocking voltage for conventional materials for the intrinsically conductive layer which has a residual conductivity of approximately 10 “ ⁇ ” cm and a thickness of 500 ⁇ m, is approximately 100 V.
  • An injection voltage source 6 is now connected to the injector region 1, whereby the negative voltage -Ul is applied to this area. This is chosen so that it is slightly lower than the cathode potential.
  • FIG. 3 shows the same view as FIG. 2. In addition, the course of the electron beam and the magnetic field are shown.
  • L denotes the thickness of the intrinsically conductive layer 3.
  • an electron beam 9 is formed between the injector region 1 and the anode layer 4 consisting of the anode layer regions 4 a and 4 b, in that electrons injected from the injector region 1 drift to the anode layer 4.
  • the drift velocity VD of the electrons is given by the mobility ⁇ e of the electrons and by the predominant electric field E x :
  • VD ⁇ e E x (2)
  • the charge distribution on the anode layer has a variance ⁇ y 2> 1/2, which is calculated as follows:
  • k denotes the Boltzmann constant
  • T the temperature
  • q the elementary charge of the electron
  • Width of the insulation section 5 fixed. This is because they may have a maximum extension of ⁇ y 2> 1/2. However, this is easy to achieve with the exemplary number sizes given above.
  • the injector region 1 of the cathode layer 2 is arranged exactly opposite the insulation section 5 of the anode layer 4, and the anode layer 4 is divided into two equally large anode layer halves 4a and 4b, this symmetrical arrangement leads to two equally large currents J1 and Jr in the anode layer halves 4a and 4a, respectively 4b. These currents are measured with the current measuring devices 8a and 8b.
  • This equation no longer contains the drift distance of the electrons, i.e. the thickness L of the intrinsically conductive layer 3.
  • the current quotient Qj (B) has the value 0 if there is no magnetic field, and it changes monotonically to the value -1 or +1 if the magnetic field changes to the value B ⁇ according to equation (10).
  • the anode layer 4 was divided into two anode layer regions 4a and 4b of the same size, which are separated by a strip-shaped insulation section 5.
  • the isolation Section 5 opposite injector area 1 of the cathode layer 2 therefore also has a shape in the manner of a longitudinal strip.
  • a sensor designed in this way can therefore only measure the field component of a magnetic field that runs in the longitudinal direction of the injector area (in the drawing figure 3 this is a field component of the magnetic field that runs into or out of the plane of the drawing).
  • FIG. 4 now shows an alternative embodiment of the sensor according to the invention for measuring a magnetic field.
  • the anode layer is divided into four anode layer regions 4a, b, c, d of the same size.
  • the corresponding insulation section 5 consists of two strips 5a and 5b crossing at right angles.
  • the injector region 1 in the cathode layer 2 is now in the form of a square surface which is arranged directly opposite the point of intersection of the insulation sections 5a and 5b.

Landscapes

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Abstract

Es wird ein Sensor zur Messung eines Magnetfeldes beschrieben, der im Vergleich zur Hall-Sonde eine hohe Messempfindlichkeit aufweist. Der Sensor ist aus mehreren elektrisch halbleitenden Schichten, die in Form einer in Sperrichtung geschalteten Leistungsdioden, bestehend aus einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und einer dazwischen eingeschlossenen eigentleitenden Schicht, angeordnet sind, aufgebaut. Die Anodenschicht ist durch Isolationsabschnitte in mehrere voneinander isolierte Anodenschichtbereiche unterteilt. Die Kathodenschicht weist auf den den Isolationsabschnitten gegenüberliegenden Bereichen einen entgegengesetzt dotierten Injektorbereich auf. Durch das Anlegen einer Injektionsspannung an diesen Injektorbereich wird zwischen Injektorbereich und Anode ein Elektronenstrahl ausgebildet, der sich in Form gleichmässiger Teilströme auf die geerdeten Anodenschichtbereiche verteilt. Durch ein in der eigenleitenden Schicht auftretendes Magnetfeld wird der Elektronenstrahl abgelenkt, was zu verschieden grossen Teilströmen auf den geerdeten Anodenschichtbereichen führt. Durch die Messung dieser Grössenunterschiede der Teilströme kann das vorhandene Magnetfeld berechnet werden.

Description

SENSOR ZUR MESSUNG EINES MAGNETFELDES
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung eines Magnetfeldes, der aus mehreren elektrisch halbleitenden Schichten aufgebaut ist.
Sensoren zur Messung eines Magnetfeldes werden heute auf vielen Gebieten eingesetzt. Sie werden beispielsweise in der Automatisierungs-, Regelungs- und Meßtechnik benutzt, um berührungsfrei Abstände zu messen, Drehzahlen zu bestimmen oder Positionierungen zu überprüfen. In der Informationstechnik lesen mimaturisier- te Magnetfeldsensoren digitale Daten, die beispielsweise auf Festplatten magnetisch gespeichert sind. In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden empfindliche Magnetfeldsensoren eingesetzt, um Materialfehler aufzuspüren. In der medizinischen Diagnostik werden höchstempfindliche Sensoren eingesetzt, um den Biomagnetismus quantitativ zu erfassen.
Entsprechend der Anwendungsvielfalt müssen die Sensoren recht unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Dies läßt sich mit Sensoren verwirklichen, die aus unterschiedlichen Materialien (wie Metallen, Halbleitern oder Supraleitern) bestehen, und die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen.
Die einzelnen Sensoren lassen sich dabei grob in folgende Typen einteilen:
- Feldplatten, Hallsonden, Magneto-Dioden und Magneto-Transistoren aus Halbleitern;
- magnetoresistive homogene oder granuläre Schichten und Schichtsysteme aus Metallen und Isolatoren;
- SQUIDS aus Supraleitern
Die am häufigsten verwendeten Sensortypen sind:
[1] Feldplatten aus InSb mit NiSb-Nadeln, [2] Hallsonden aus Silizium oder III/V-Halbleitern,
[3] magnetoresistive AMR-Sensoren, die aus einer homogenen dünnen magnetischen Metallschicht aus beispielsweise NiFe bestehen,
[4] GMR-Sensoren, die aus mindestens zwei magnetischen Metallschichten und einer nichtmagnetischen Metallschicht bestehen, und [5] SQUIDS aus den Supraleitern Nb oder YBCO, deren Arbeitstemperatur bei 4K beziehungsweise 80K liegt. Die Empfindlichkeit der Sensoren gegenüber einem Magnetfeld oder einer Änderung des Magnetfeldes nimmt in obiger Aufstellung von oben nach unten ständig zu.
Zu der Wirkungsweise der einzelnen Sensortypen sei kurz folgendes gesagt:
Ursache für die Widerstandsänderung in den Feldplatten [1] und für die Hall- Spannung [2] ist die Lorentzkraft, die an elektrischen Ladungen entsteht, wenn diese sich im Magnetfeld bewegen.
In den AMR-Sensoren [3] beruht die Widerstandsänderung auf einer magnetischen Streuung der Leitungselektronen, die sich mit der Richtung der Magnetisierung relativ zur Stromrichtung ändert.
Bei den GMR [4] beraht die Wirkung wieder auf einer anisotropen Streuung an den Grenzflächen, die vom Winkel abhängt, den beide Magnetisierungen miteinander bilden.
Bei den SQUIDs [5] wird das magnetische Verhalten von dem Prinzip bestimmt, daß der magnetische Fluß in einem supraleitenden Ring ein ganzzahliges Vielfaches des elementaren Flußquants sein muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor zur Messung eines Magnetfeldes zu schaffen, der sehr empfindlich ist und deswegen schon zur Messung kleinster Magnetfelder oder zur Messung der Änderungen von Magnetfeldern einge- setzt werden kann. Er soll außerdem bei Zimmertemperatur betreibbar sein und keine Hystereseerscheinungen aufweisen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem erfindungsgemäßen Sensor nach Anspruch 1, der aus mehreren elektrisch halbleitenden Schichten besteht, die in Form einer in Sperrichtung geschalteten Diode oder pin-Diode angeordnet sind. Diese Schichtanordnung umfaßt eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht und eine dazwischen eingeschlossene eigenleitende Schicht. Die Anodenschicht ist durch Isolationsabschnitte, beispielsweise in Form von Isolationsstreifen, in mehrere voneinander isolierte Anodenschichtbereiche unterteilt. Die Kathodenschicht weist auf den den Isolationsabschnitten gegenüberliegenden Bereichen einen entgegengesetzt dotierten Injektorbereich auf. Die Anodenschicht und die Kathodenschicht sind mit einer Sperrspannung verbunden, so daß die Schichtenanordnung in Sperrichtung vorgespannt ist. An den Injektorbereich in der Kathodenschicht wird eine Injektionsspan- nung angelegt. Dadurch wird zwischen dem Injektorbereich und der Anode ein Elektronenstrahl ausgebildet, indem sich injizierte Elektronen vom Injektorbereich an der Kathode zur gegenüberliegenden Anode bewegen. Es findet dabei eine Verbreiterung des Elektronenstrahls aufgrund von thermischer Diffusion statt. Dieser verbreiterte Elektronenstrahl trifft nun gleichmäßig auf die einzelnen voneinander isolierten Anodenschichtbereiche. Die Anodenschichtbereiche sind einzeln über jeweilige Strommeßvorrichtungen mit Erde verbunden. Je nach Anzahl der Anodenschichtbereiche wird also ein entsprechender Teil des gesamten Elektronenstrahls auf jeden einzelnen Anodenschichtbereich auftreffen. Dieser Teil des Elektronen- Strahls läßt sich in Form eines Stromes mit der jeweiligen Strommeßvorrichtung messen.
Wird nun in der eigenleitenden Schicht ein Magnetfeld quer zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls, der zwischen Injektorbereich und Anodenschicht ver- läuft, angelegt, so wird auf die driftenden Elektronen die Lorenzkraft ausgeübt, was zu einer Ablenkung des Elektronenstrahls fuhrt. Diese Ablenkung des Elektronenstrahls bewirkt, daß auf die einzelnen voneinander isolierten Anodenschichtbereiche nun andere Teilmengen des gesamten Elektronenstrahls treffen, was zu einer entsprechenden Änderung der Teilströme der Anodenschichtbereiche führt. Aus dieser Änderung der Teilströme läßt sich das Magnetfeld berechnen.
Der Aufbau und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sensors zur Messung eines Magnetfeldes werden nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 2 einen Querschnitt des erfmdungsgemäßen Sensors mit angelegter Spannungsversorgung;
Fig. 3 eine Ansicht wie in Fig. 2, wobei zusätzlich der Verlauf des Elektronenstrahls und des Magnetfelds gezeigt sind; und
Fig. 4 eine alternative Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Sensors zur Messung eines Magnetfeldes. Figur 1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des erfmdungsgemäßen Sensors zur Messung eines Magnetfeldes. Er besteht aus einem Schichtenpaket aus elektrisch halbleitenden Schichten. Die oberste Schicht ist die Kathodenschicht 2, die im hier dargestellten Beispiel aus einer p dotierten Schicht besteht. Die unterste Schicht ist die Anodenschicht 4, die im hier dargestellten Beispiel aus einer n dotierten Schicht besteht. Zwischen diesen Schichten ist eine eigenleitende Schicht 3 angeordnet.
Die Anodenschicht 4 ist in mehrere voneinander isolierte Anodenschichtbereiche unterteilt. Im hier dargestellten Beispiel ist die Anodenschicht 4 in zwei Anodenschichtbereiche 4a und 4b unterteilt. Zwischen den Anodenschichtbereichen 4a und 4b ist zur gegenseitigen Isolation dieser Bereiche ein Isolationsabschnitt 5 angeord- net, der in diesem Ausfuhrungsbeispiel in Form eines Isolationsstreifens ausgeführt ist.
Die Kathodenschicht 2 weist im Bereich, der dem Isolationsabschnitt 5 der Anodenschicht 4 gegenüberliegt, einen sogenannten Injektorbereich 1 auf. Er weist in die- sem Fall eine n Dotierung auf.
Figur 2 zeigt nun, wie dieses Schichtenpaket des erfindungsgemäßen Sensors elektrisch verschaltet ist. Das Schichtenpaket ist hierbei im Querschnitt dargestellt. Auf der linken Seite sieht man die p dotierte Kathodenschicht 2, in die in der Mitte der n dotierte Injektorbereich 1 eingefügt ist. Auf der rechten Seite sind die beiden Anodenschichtbereiche 4a und 4b, die durch den Isolationsabschnitt 5 voneinander isoliert sind, dargestellt. Zwischen Anode und Kathode befindet sich die eigenleitende Schicht 3. Die einzelnen Anodenschichtbereiche 4a, 4b sind über hier schematisch angedeutete Strommeßvorrichtungen 8a und 8b jeweils mit Erde verbunden. Der durch die Strommeßvorrichtung des oberen Anodenschichtbereiches 4a fließende Strom ist dabei mit Jl und der durch die Strommeßvorrichtung des unteren Anodenschichtbereiches 4b fließende Strom ist dabei mit Jr bezeichnet.
Mit der Kathodenschicht 2 wird nun eine Sperrspannungsquelle 7 verbunden, wo- durch hier die negative Spannung -U2 angelegt wird. Die Sperrspannung beträgt bei üblichen Materialien für die eigenleitende Schicht, wobei diese eine Restleitfähigkeit von etwa 10" Ω" cm und eine Dicke von 500 μm aufweist, ungefähr 100 V. Mit dem Injektorbereich 1 wird nun eine Injektionsspannungsquelle 6 verbunden, wodurch an diesen Bereich die negative Spannung -Ul angelegt wird. Diese wird so gewählt, daß sie geringfügig tiefer als das Kathodenpotential liegt.
Es wird nun anschließend die Funktion des erfindungsgemäßen Sensors anhand der Zeichnungsfigur 3 erläutert. Die Figur 3 zeigt die gleiche Ansicht wie die Figur 2. Zusätzlich sind der Verlauf des Elektronenstrahls und das Magnetfeld eingezeichnet.
Durch das Anlegen der Sperrspannung U2 wird zwischen Kathodenschicht 2 und Anodenschicht 4 ein elektrisches Feld der Größe
E = U2 / L (1)
ausgebildet. L bezeichnet dabei die Dicke der eigenleitenden Schicht 3.
Durch das Anlegen der Injektionsspannung Ul bildet sich zwischen dem Injektorbereich 1 und der aus den Anodenschichtbereichen 4a und 4b bestehenden Anodenschicht 4 ein Elektronenstrahl 9 aus, indem vom Injektorbereich 1 injizierte Elektronen zur Anodenschicht 4 driften. Die Driftgeschwindigkeit VD der Elektronen ist gegeben durch die Beweglichkeit μe der Elektronen und durch das vorherrschende elektrische Feld Ex:
VD = μe Ex (2)
Damit beträgt die Driftzeit tD über die Strecke L zwischen Kathode und Anode:
tD = L / VD (3)
Während dieser Zeit verbreitert sich der driftende Elektronenstrahl 9 aufgrund von thermischer Diffusion. Dies ist in der Zeichnungsfigur 3 durch eine Aufweitung des
Elektronenstrahls 9 auf seinem Weg von der linken Kathodenschicht 2 zur rechten Anodenschicht 4 dargestellt. An der Anodenschicht 4 führt das zu einer glockenförmigen Ladungsverteilung, wie das durch die durchgezogene Kurve 11 angedeutet ist. Die Ladungsverteilung an der Anodenschicht weist dabei eine Varianz <y 2 > 1/2 auf, die sich folgendermaßen berechnet:
<y >1 2 = (D ,D)lß (4) Unter Verwendung der Einstein-Beziehung
μe = (q / kT) D (5)
und mit den vorangehenden Gleichungen (1) bis (3) erhält man
<y2>1/2 = (kT / qU2)1/2 L (6)
wobei in diesen Gleichungen mit k die Boltzmann-Konstante, mit T die Temperatur und mit q die Elementarladung des Elektrons bezeichnet ist.
Bei einer Raumtemperatur von 300 K, mit der Sperrspannung von U2 = 100 V und mit einer Dicke L der eigenleitenden Schicht von L = 300 μm erhält man eine Auf- weitung des ElektiOnenstrahls mit der Varianz <y 2 > 1/2 = 4,8 μm und bei einer Dik- ke L von 500 μm eine Aufweitung mit der Varianz <y 2 > 1/2 = 8 μm.
Diese Größen der Strahlaufweitung legen die Breite des Injektorbereiches 1 und die
Breite des Isolationsabschnittes 5 fest. Diese dürfen nämlich höchstens die Ausdeh- nung <y 2 > 1/2 aufweisen. Dies ist aber bei den oben angegebenen beispielhaften Zahlengrößen leicht zu verwirklichen.
Da der Injektorbereich 1 der Kathodenschicht 2 genau gegenüber dem Isolationsabschnitt 5 der Anodenschicht 4 angeordnet ist, und die Anodenschicht 4 in zwei gleich große Anodenschichthälften 4a und 4b unterteilt ist, fuhrt diese symmetrische Anordnung zu zwei gleich großen Strömen Jl und Jr in den Anodenschichthälften 4a beziehungsweise 4b. Diese Ströme werden mit den Strommeßvorrichtungen 8a beziehungsweise 8b gemessen.
Wird nun ein Magnetfeld 10 der Größe B rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 9 in der eigenleitenden Schicht 3 angelegt, so wird der Elektronenstrahl abgelenkt. Auf die im Elektronenstrahl driftenden Elektronen wird die Lorentzkraft ausgeübt, die wie ein elektrisches Querfeld Ey wirkt:
Ey = (μe B)EX (7)
Für die an der Anodenschicht 4 eintreffenden Elektronen fuhrt das zu einer Ablenkung yß: yB = (μe B)L (8)
Es ergibt sich eine im hier dargestellten Beispiel nach oben verschobene Kurve der Ladungsverteilung an der Anodenschicht 4, wie dies durch die gestrichelte La- dungsverteilungskurve 12 in Figur 3 angedeutet ist. Damit vergrößert sich der Strom Jl des Anodenschichtbereiches 4a und es verkleinert sich der Strom Jr des Anodenschichtbereiches 4b. Die Symmetrie der Ströme wird also gestört.
Wenn die Ablenkung yß des Elektronenstrahls 9 an der Anodenschicht 4 vergleich- bar mit der Varianz <y 2 > 1/2 der Elektronenstrahlverteilung wird, so wird die
Asymmetrie, gegeben durch den Stromquotienten Qj(B):
Qj(B) = (Jr - Jl) / (Jr + Jl) (9)
deutlich und Q (B) nimmt fast den Wert 1 an.
Dazu gehört das Magnetfeld Bl:
Bl = (l/μe) (kT / qU2)1/2 (10)
Diese Gleichung enthält nicht mehr die Driftstrecke der Elektronen, also die Dicke L der eigenleitenden Schicht 3. Der Stromquotient Qj(B) hat den Wert 0, wenn kein Magnetfeld vorliegt, und er ändert sich monoton auf den Wert -1 oder +1, wenn sich das Magnetfeld auf den Wert B\ nach Gleichung (10) ändert.
Die Feldempfindlichkeit des Sensors wird beschrieben durch die Steigung:
δQj(B)/δB = 1/Bl = μe(qU2 /kT)1/2 (11)
Mit den oben schon angegebenen Zahlenwerten und der Beweglichkeit μe = 1000 cm 2 V -1 s -1 von Elektronen im Silizium erhält man einen Feldempfindlichkeitswert von 6,2 T" . Die entsprechende Größe beträgt beispielsweise bei Hallsonden 0, 1 T"
. Man erzielt also mit der erfindungsgemäßen Sonde im Vergleich zu einer Hall- sonde eine Empfindlichkeitssteigerung um den Faktor (qU2/kT) 1/2 = 62.
In den vorhergegangen Zeichnungsfiguren gezeigten Sensor wurde die Anodenschicht 4 in zwei gleich große Anodenschichtbereiche 4a und 4b, die durch einen streifenförmigen Isolationsabschnitt 5 getrennt sind, unterteilt. Der dem Isolations- abschnitt 5 gegenüberliegende Injektorbereich 1 der Kathodenschicht 2 weist daher ebenfalls eine Form in der Art eines Längsstreifens auf. Ein so gestalteter Sensor kann daher nur die Feldkomponente eines Magnetfeldes messen, die in Längsrichtung des Injektorbereiches verläuft (in der Zeichnungsfigur 3 ist das eine Feldkom- ponente des Magnetfeldes, die in die Zeichnungsebene hinein oder aus ihr heraus verläuft).
Figur 4 zeigt nun eine alternative Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Sensors zur Messung eines Magnetfeldes. Hierbei ist die Anodenschicht in vier gleich große Anodenschichtbereiche 4a,b,c,d unterteilt. Der entsprechende Isolationsabschnitt 5 besteht dazu aus zwei sich rechtwinklig kreuzenden Streifen 5a und 5b. Der Injektorbereich 1 in der Kathodenschicht 2 ist nun in Form einer quadratischen Fläche, die direkt gegenüber dem Kreuzungspunkt der Isolationsabschnitte 5a und 5b angeordnet ist, ausgebildet.
Damit ist es möglich, beide Komponenten eines Magnetfeldes senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 9 zu bestimmen. Es werden dazu die Ströme Jl, J2, J3 und J4 der Anodenschichtbereiche 4a, 4b, 4c beziehungsweise 4d gemessen. Zur Bestimmung der einen Magnetfeldkomponente wird die Differenz Jr - Jl und zur Bestimmung der anderen Komponente wird die Differenz J0 - Ju gebildet.
Dabei ist, wenn die entsprechenden Bezeichnungen der Ströme aus der Zeichnungsfigur 4 gewählt werden:
Jr = Jl + J4 (11) Jl = J2 + J3 (12)
Jo = Jl + J2 (13)
Ju = J3 + J4 (14)
Wenn kein Magnetfeld vorhanden ist, so sind bei der dargestellten symmetrischen Anordnung alle vier Summenströme der Gleichungen (11) bis (14) gleich groß, und somit sind auch die Differenzströme Jr - Jl und J0 - Ju gleich Null. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Injektorbereich
2 Kathodenschicht
^ J eigenleitende Schicht
4 Anodenschicht
4a,b,c,d Anodenschichtbereiche
5 Isolationsabschnitt
5a,b sich kreuzende Isolationsabschnitte der alternativen
Ausfuhxungsform
6 Injektionsspannungsquelle
7 Sperrspannungsquelle
8a,b,c,d Strommeßvorrichtung
9 Elektronenstrahl
10 Magnetfeld
11 Ladungsverteilungskurve ohne Magnetfeld
12 durch Magnetfeld verschobene Ladungsverteilungskurve
L Dicke der eigenleitenden Schicht = Strecke zwischen Kathode und Anode
U l Injektionsspannung
U2 Sperrspannung vD Driftgeschwindigkeit der Elektronen tD Driftzeit der Elektronen μe Beweglichkeit der Elektronen
Ex Elektrisches Feld in x-Richtung (zwischen Kathode und Anode)
Ey elektrisches Querfeld
7 1/2 <y~> Varianz der Ladungsverteilung yß Größe der Ablenkung der Elektronen durch elektrisches Querfeld
erste Ausführungsform:
Jl Strom im Anodenschichtbereich 4a Jr Strom im Anodenschichtbereich 4b
Qj Stromquotient
Bl Magnetfeld zweite Ausfuhrungsform:
Jl Strom im Anodenschichtbereich 4a
J2 Strom im Anodenschichtbereich 4b
J3 Strom im Anodenschichtbereich 4c
J4 Strom im Anodenschichtbereich 4d
Jr Strom in den beiden rechten Anodenschichtbereichen
Jl Strom in den beiden linken Anodenschichtbereichen
Jo Strom in den beiden oberen Anodenschichtbereichen
Ju Strom in den beiden unteren Anodenschichtbereichen

Claims

Patentansprüche
1. Sensor zur Messung eines Magnetfeldes, wobei er aus mehreren elektrisch halbleitenden Schichten aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Paket aus direkt aufeinanderfolgenden planaren halbleitenden Schichten, die eine in Sperrichtung geschaltete Diode bilden, bestehend aus
- einer Kathodenschicht (2),
- einer Anodenschicht (4), und - einer dazwischen eingeschlossenen eigenleitenden Schicht (3), umfaßt, wobei
- die Anodenschicht (4) in mehrere durch Isolationsabschnitte (5) voneinander isolierte Anodenschichtbereiche (4a,b,c,d) aufgeteilt ist;
- die Kathodenschicht (2) im Bereich, der den Isolationsabschnitten (5) auf der Anodenschicht (4) gegenüberliegt, einen entgegengesetzt dotierten Injektorbereich (1) aufweist;
- der Injektorbereich (1) in der Kathodenschicht (2) mit einer Injektionsspannungs- quelle (6) verbunden ist;
- die Kathodenschicht (2) mit einer Sperrspannungsquelle (7) verbunden ist; und
- die Anodenschichtbereiche (4a,b,c,d) jeweils über Strommeßvorrichtungen (8a,b,c,d) mit Erde verbunden sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Kathodenschicht (2) aus einer p dotierten Schicht besteht, - die Anodenschicht (4) aus einer n dotierten Schicht besteht; und
- der Injektorbereich (1) aus einer n dotierten Schicht besteht.
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß die Kathodenschicht (2) aus einer n dotierten Schicht besteht,
- die Anodenschicht (4) aus einer p dotierten Schicht besteht; und
- der Injektorbereich (1) aus einer p dotierten Schicht besteht.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenschicht (4) durch einen streifenförmig verlaufenden Isolationsabschnitt (5) in zwei parallel verlaufende Anodenschichtbereiche (4a,b) aufgeteilt ist.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenschicht (4) durch zwei streifenförmig verlaufende, sich rechtwinklig kreuzende Isolationsabschnitte (5) in vier parallel verlaufende Anodenschichtberei- ehe (4a,b,c,d) aufgeteilt ist.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem hochwertigen Halbleitermaterial mit niedriger Dotierung und ho- her Beweglichkeit der Löcher und Elektronen hergestellt ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Silizium hergestellt ist.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem halbleitenden Material hergestellt ist, das Elemente aus der III. Hauptgruppe und Elemente aus der V. Hauptgruppe des Periodensystems der Ele- mente aufweist.
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