DE2426954C3 - Halbleiteranordnung mit Hall-Elementen - Google Patents
Halbleiteranordnung mit Hall-ElementenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der eine Anzahl von
Hall-Elementen mit schichtförmigen, sich parallel zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckenden
Hall-Körpern enthält, welche Hall-Körper jeweils mit einem Stromzufluß- und einem Stromabflußkontakt,
über die ein Strom in lateraler Richtung durch den Hall-Körper fließen kann, und mit mindestens einem
Hall-Kontakt zur Entnahme elektrischer Hall-Signale, die im Hall-Körper mit Hilfe eines Magnetfeldes
erzeugt werden können, versehen sind, bei der sowohl die Stromzuflußkontakte als auch die Stromabflußkontakte
und die Hall-Kontakte jeweils elektrisch miteinander verbunden sind und bei der die Hall-Elemente
verschiedene Hauptstromrichtungen aufweisen.
Eine Halbleiteranordnung der beschriebenen Art ist bereits in der DE-PS 23 26 731 vorgeschlagen worden.
br Hall-Elemente werden vielfach, insbesondere in
kollektorlosen Elektromotoren, verwendet, wobei der Strom durch die Wicklungen abwechselnd mit Hilfe
einer oder mehrerer mit Hall-Elementen gesteuerten
Schaltungen ein- und ausgeschaltet wird. Weiter werden derartige Halbleiteranordnungen in Verstärkerschaltungen
mit einem vom Hall-Element regelbaren Verstärkungsfaktor und für verschiedene andere Zwekke,
z. B. als kontaktlose Schalter, verwendet
Der Körper eines Hall-Elements weist in bekannten Anordnungen meistens eine annähernd rechteckige
Form auf und enthält zwei Stromkontakte zum Zu- und Abführen eines durch den Hall-Körper zu schickenden
Stromes und mindestens einen, aber meistens zwei Hall-Kontakte, die zwischen diesen Stromkontakten
liegen und dazu dienen, ein von einem Magnetfeld im Hall-Körper quer zu der Stromrichtung erzeugtes
Signal zu entnehmen.
Dabei ist es aus der DE-OS 17 90 055 bekannt, den Hall-Körper als Insel in einer epitaktischen Schicht
eines Halbleiterkörpers, die auch weitere Schaltungselemente enthalten kann, auszubilden.
Für die praktische Anwendung von Anordnungen mit einem Hall-Element der beschriebenen Art ist die
Nullspannung (= Regelabweichung) des Hall-Elements von besonderer Bedeutung. Unter diesem Ausdruck ist
die Erscheinung zu verstehen, daß im Betriebszustand das Hall-Signal beim Fehlen eines Magnetfeldes mit
einer Feldstärkekomponente senkrecht zu dem schichtförmigen Hall-Körper ungleich 0 ist. Die Nullspannung
ist also die Größe der Hall-Signalspannung beim Fehlen eines Magnetfeldes. Sie kann aber auch durch die
magnetische Feldstärke ausgedrückt werden, die angelegt werden muß, um die Nullspannung auf Null
herabzusetzen.
Im allgemeinen wird es erwünscht sein, daß die Nullspannung des Hall-Elements möglichst klein ist,
weil in vielen Anwendungen das Magnetfeld, das zum Erhalten eines bestimmten Hall-Signals benötigt wird,
beim Vorhandensein einer Nullspannung größer als beim Fehlen derselben sein wird. Die infolge des
Auftretens einer Nullspannung benötigten Magnetfelder können bei einer derartigen Anordnung oft 0,15 T
(1500 Gauss) oder mehr betragen, was in der Praxis häufig besondere Schwierigkeiten mit sich bringt.
Eine weitere Komplikation ergibt sich aus der Tatsache, daß die Nullspannung stark von mechanischen
Einflüssen, wie Druck und Biegung, und von anderen Faktoren, wie z. B. der Wärmeableitung im Hall-Element
und dadurch herbeigeführten Temperaturunterschieden über den Hall-Element, abhängig ist, wodurch
die Nullspannung im Betriebszustand im allgemeinen nicht konstant bleibt.
Auf verschiedene Weise wurde versucht, durch Kombination mehrerer Hall-Elemente in einer monolithischen
Schaltung, also in demselben Halbleiterkörper, den Einfluß der genannten Nullspannung zu eliminieren
oder wenigstens erheblich zu verringern.
So ist es z. B. aus I.B.M. Technical Disclosure Bulletin,
Heft 12, Nr. 12, Mai 1970, S. 2163, bekannt, ein einem Magnetfeld ausgesetztes Hall-Element mit einem
zweiten im gleichen Halbleiterkörper angeordneten Bezugs-Hall-Element zu kombinieren, das dem Magnetfeld
praktisch nicht ausgesetzt ist und also nur eine Nullspannung liefert, u..c die beiden erhaltenen
Hall-Signale voneinander zu subtrahieren.
Oft weisen jedoch die Magnetfelder eine solche Ausdehnung auf, daß diese Lösung nicht anwendbar ist.
Eine ganz andere Lösung wird in der eingangs genannten DE-PS 23 26 731 der Anmelderin vorgeschlagen,
wobei die Tatsache benutzt wird, daß sich herausgestellt hat, daß die Nullspannung von der
Stromrichtung durch den Hall-Körper abhängig ist und sich mit dem Kosinus des doppelten Winkels zwischen
der Stromrichtung und einer beliebigen Bezugsachse parallel zu der Oberfläche ändert Bei dieser Halbleiteranordnung
werden zwei oder mehr Hall-Elemente, die praktisch dem gleichen Magnetfeld ausgesetzt sind,
zueinander parallel geschaltet wobei der Halbleiterkörper Hall-Elemente mit schichtförmigen, sich parallel zu
einer Oberfläche erstreckenden Hall-Körpern enthält, bei denen die Stromzufluß-, die Stromabfluß- und die
Hall-Kontakte jeweils miteinander elektrisch verbunden sind, und wobei die Stromrichtungen der Hall-Elemente
verschieden sind und derart gewählt werden, daß die resultierende Nullspannung der parallelgeschalteten
Hall-Elemente unterdrückt oder wenigstens verringert wird.
Dabei kann nachgewiesen werden, daß bei geeignet gewählten Winkeln wenigstens die differentielle NuII-spannungs-Komponente
praktisch völlig unterdrückt werden kann. Dabei sei bemerkt, daß die Gesamtnullspannung
annahmeweise aus einer differentiellen Komponente, die sich in einer Differenzspannung
zwischen den beiden Hall-Kontakten eines Hall-Elements äußert, und einer sogenannten gemeinsamen
Komponente zusammengesetzt ist, die sich in einer füi beide Hall-Kontakte identischen Potentialverschiebung
gegenüber dem Potential beim Fehlen einer Nullspannung äußert.
Es stellt sich heraus, daß die Nullspannung stark von dem Verlauf des Flächenwiderstandes des Halbleiterkörpers
(= der mittlere spezifische Widerstand geteilt durch die Schichtdicke des Hall-Körpers), abhängig ist.
Dieser Flächenwiderstand kann annähernd als eine Funktion zweiter Ordnung der Koordinaten der Form
ßi=ρο + axx+ b\y+ a2x2 + tty2 + kxy-r...
beschrieben werden. Es stellt sich nun heraus, daß bei geeignet gewählten Stromrichtungen bei der zuletzt
genannten Halbleiteranordnung die differentielle NuIlspannungs-Komponente
praktisch völlig unterdrückt werden kann, aber daß in der resultierenden gemeinsamen
Komponente die Terme erster Ordnung, d. h. die Koeffizienten a\ und b\, des Flächenwiderstandes noch
eine Rolle spielen, was in vielen Anwendungen von geringerer Bedeutung ist, aber in anderen Fällen
unerwünscht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Lösung zur Unterdrückung des Nullspannungs-Effekts
zu schaffen, bei der sowohl eine bessere Kompensation der Nullspannung als auch eine größere Kompaktheit
der Halbleiteranordnung in bezug auf die bekannten Anordnungen erreicht wird.
Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß durch eine andere Anordnung und Schaltung der
zusammensetzenden Hall-Elemente nicht nur eine Unterdrückung der differentiellen Nullspannungs-Komponente,
sondern auch eine sehr starke Verringerung der gemeinsamen Komponente der Nullspannung
erhalten werden kann, was für verschiedene wichtige Anwendungen besonders günstig ist.
Weiter liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Kompensation der Nullspannung und insbesondere
der Druckempfindlichkeit der Nullspannung um so besser ist, je näher die Hall-Elemente beieinander
liegen; daß bei den bisher angewandten Lösungen die gewünschte optimale Gedrängtheit nicht genügend
erhalten werden kann und daß durch Anwendung einer anderen Konfiguration und Schaltung eine erheblich
größere Gedrängtheit und damit eine bessere Nullspannungs-Unterdrückung
erreicht werden kann.
Die genannte Aufgabe wird, ausgehend von einer Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art,
dadurch gelöst laß die Hall-Elemente jeweils nur einen mit einem Anschlußleiter versehenen Hall-Kontakt
enthalten und in mindestens zwei Gruppen von je zwei Hall-Elementen mit zueinander praktisch parallelen
Hauptstromrichtungen unterteilt sind, derart, daß eine Hälfte der Hall-Kontakte die eine Polarität und die
andere Hälfte die andere Polarität aufweisen, daß die Hall-Kontakte der gleichen Polarität elektrisch miteinander
verbunden und mit je einem Anschlußleiter versehen sind und daß die Hauptstromrichtungen
verschiedener Gruppen verschieden sind.
Unter der Hauptstromrichtung eines Hall-Elements wird hier die Richtung, von dem Stromzuflußkontakt zu
dem Stromabflußkontakt gerechnet, der kürzesten Verbindungslinie zwischen den Stromkontakten verstanden.
Weiter sei bemerkt, daß unter Stromrichtung die übliche Stromrichtung von hohem zu niedrigem
Potential zu verstehen ist und daß die Ausdrücke »Stromzuflußkontakt« und »Stromabflußkontakt« und
»Polarität eines Hall-Kontakts« sich auf den augenblick liehen Zustand beziehen, d. h., daß z. B. beim Anlegen
einer Wechselspannung zwischen den Stromkontakten eines Hall-Elements jeder dieser Stromkontakte abwechselnd
als Stromzufluß- und als Stromabflußkontakt wirkt.
Eine Anordnung nach der Erfindung weist u. a. den großen Vorteil auf, daß nicht nur die differentielle
Nullspannung praktisch völlig unterdrückt werden kann, sondern daß auch die gemeinsame Komponente
der Nullspannung in einer Anordnung nach der Erfindung auf eine Abhängigkeit von nur einem Term
zweiter Ordnung des Flächenwiderstandes herabgesetzt werden kann, der meistens von geringerer
Bedeutung als die Terme erster Ordnung sein wird.
Ein sehr wichtiger Vorteil der Anordnung nach der Erfindung ist noch der, daß die Anordnung es
ermöglicht, Hall-Elemente zu verwenden, die alle in demselben Halbleiterkörper ohne Trennisolierung untergebracht
sind. Dadurch wird eine sehr gedrängte Bauart möglich, die außer einer erheblichen Raumersparung
eine viel bessere Unterdrückung der Druckempfindlichkeit der Nullspannung gestattet. Es stellt
sich nämlich heraus, daß die Nullspannung zu einem großen Teil durch Ungleichmäßigkeiten im Halbleiterkörper
herbeigeführt wird, die den bereits genannten allmählichen Verlauf im Flächenwiderstand des Halbleiterkörpers
über einen verhältnismäßig großen Teil des Körpers veranlassen. Derartige Ungleichmäßigkeiten
können durch verschiedene Faktoren herbeigeführt werden, wie durch Dotierungs- und Dickenunterschiede
in dem schichtförmigen Halbleiterkörper, durch Temperaturänderungen,
aber auch durch mechanische Spannungen, die z. B. infolge der Umhüllung auftreten
können.
Da, wie bereits erwähnt wurde, der Verlauf des Flächenwiderstandes infolge dieser Ungleichmäßigkeiten
über ein gewisses Gebiet des Körpers praktisch gleich ist, kann innerhalb eines derartigen Gebietes eine
Kompensation der Nullspannung dadurch erhalten werden, daß durch Ströme in verschiedenen Richtungen
herbeigeführte Hall-Signale miteinander kombiniert werden. Indem Ströme in verschiedenen Richtungen
durch denselben Halbleiterkörper geschickt werden, der verhältnismäßig klein gehalten werden kann,
werden die Koeffizienten in der genannten Gleichung für den Verlauf des Flächenwiderstandes über den
wirksamen Teil des Halbleiterkörpers praktisch gleich bleiben, wodurch eine starke Korrelation zwischen der
Nullspannung der Hall-Elemente und somit eine sehr gute Kompensation insbesondere der Druckempfindlichkeit
der Nullspannung erreicht wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Gruppe die beiden Hall-Elemente entgegengesetzte Hauptstromrichtungen und Hall-Kontakte gleicher Polarität aufweisen Diese bevorzugte Weiterbildung bietet, wie nachstehend näher beschrieben wird, die Möglichkeit zur Bildung einer sehr einfachen Struktur mit nur vier Hall-Elementen, für die eine große Kompaktheil erhalten werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Gruppe die beiden Hall-Elemente entgegengesetzte Hauptstromrichtungen und Hall-Kontakte gleicher Polarität aufweisen Diese bevorzugte Weiterbildung bietet, wie nachstehend näher beschrieben wird, die Möglichkeit zur Bildung einer sehr einfachen Struktur mit nur vier Hall-Elementen, für die eine große Kompaktheil erhalten werden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung mit der eine sehr gute Nullspannungs-Unterdrückung erreicht werden
kann, weisen von jeder Gruppe die beiden Hall-Elemente gleiche Hauptstromrichtungen und Hall-Kontakte
mit entgegengesetzter Polarität auf. Die Anzahl der Hall-Elemente sollte dabei mindestens sechs
betragen.
Um eine möglichst zweckmäßige Nullspannungs-Un terdrückung zu erreichen, weisen gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung die Hall-Elemente mit Hall-Kontakten gleicher Polarität Hauptstromrichtungen auf, bei
denen die Summe der Kosinusse des Zweifachen des Winkels zwischen jeder Hauptstromrichtung und einer
beliebigen Bezugsachse parallel zu der Oberfläche praktisch gleich Null ist. In diesem Falle kann eine
praktisch vollständige Unterdrückung auch der gemeinsamen Komponente der Nullspannung erreicht werden.
Die Hall-Elemente können als einzelne Elemente in einer monolithischen integrierten Schaltung miteinander
verbunden sein. Es wird jedoch im Zusammenhang mit Obenstehendem klar sein, daß die Vorteile der
Erfindung insbesondere dann hervortreten, wenn.
gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, alle Hall-Elemente
einen gemeinsamen Hall-Körper aufweisen.
Von besonderem Interesse, vor allem bei Anwendung eines Hall-Elements nach der Erfindung in integrierten
Schaltungen, ist eine Weiterbildung der Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Halbleiterkörper
ein Substrat von einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine auf dem Substrat liegende epitaktische Schicht vom
zweiten Leitfähigkeitstyp enthält, und daß der Hall-Körper durch einen inselförmigen Teil der epitaktischen
Schicht gebildet wird, der von einer Isolierzone umgeben ist, die diesen Teil elektrisch gegen der
übrigen Teil der epitaktischen Schicht isoliert. Der inselförmige Hall-Körper kann dabei verschiedene
Formen aufweisen. Eine Weiterbildung der Erfindung die eine optimale Möglichkeit zur Nullspannungs-Unterdrückung
sowie eine sehr kompakte Konfiguration ergibt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkontakte
auf dem Hall-Körper an den Eckpunkten eines ersten regelmäßigen Vielecks angeordnet sind, wobei
rings herum von Stromkontakt zu Stromkontaki gehend, jeder Siromzuflußkontakt zwischen zwei
Stromabflußkontakten liegt, und daß die Hall-Kontakte an den Eckpunkten eines zweiten regelmäßiger
Vielecks angeordnet sind, das die gleiche Anzahl Eckpunkte wie das erste Vieleck aufweist und das zu
dem ersten Vieleck konzentrisch ist Dabei kann, gemäG
einer Weiterbildung der Erfindung, zum Erhalten einer optimalen Nullspannungs-Unterdrückung das zweite
Vieleck zu dem ersten Vieleck symmetrisch angeordnet sein. Es sei aber bemerkt, daß es sich unter gewissen
Bedingungen als zweckdienlich erweisen kann, die beiden konzentrischen Vielecke etwas asymmetrisch
zueinander anzuordnen. Dadurch kann für bestimmte Anwendungen eine Nullspannung mit festem Wert
erhalten werden, die jedoch praktisch keine Druckempfindlichkeit aufweist.
Obwohl dies in gewissen Fällen nicht notwendig ist, sind, gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, bei to
Anwendung eines gemeinsamen Hall-Körpers von den Strom- und Hall-Kontakten wenigstens die Hall-Kontakte
am Rande des Hall-Körpers angeordnet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, bei der ein gemeinsamer Hall-Körper sehr geringer Abmessungen
mit nur vier Hall-Elementen Anwendung finden kann, liegen die Hall-Kontakte an den Eckpunkten eines
Quadrates und die Stromkontakte befinden sich praktisch auf der Mitte der Seiten dieses Quadrates.
Auch die komplementäre Konfiguration, bei der die Stromkontakte an den Eckpunkten eines Quadrates
liegen und sich die Hall-Kontakte praktisch auf der Mitte der Seiten dieses Quadrates befinden, kann
vorteilhaft angewandt werden.
Die Anwendung von mehr als zwei Stromkontakten und mehreren Hall-Elementen weist neben den sich
daraus ergebenden Vorteilen auch den Nachteil auf, daß bei einem gleichen Magnetfeld zum Erhalten eines
Hall-Signals mit gleicher Größe wie bei einem einfachen Hall-Element mehr Strom benötigt wird. Um diesen
Nachteil zu verringern, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Rand des Hall-Körpers mit
Einkerbungen versehen, die sich zwischen den Strom- und Hall-Kontakten erstrecken. Sie führen durch
Herabsetzung der Querschnitte der verfügbaren Stromwege zu einer erheblichen Beschränkung der Gesamtstromstärke.
Wie oben bereits bemerkt wurde, ist eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung besonders geeignet zur
Anwendung in integrierten Schaltungen, so daß eine Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet
ist, daß der Hall-Körper durch einen isolierten Teil einer epitaktischen Schicht gebildet wird, in dem sich alle
Hall-Elemente befinden, und daß in der epitaktischen Schicht weitere Halbleiterschaltungselemente an gebracht
sind.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 schematisch eine Draufsicht auf einen Teil eines Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung.
F i g. 2 schematisch einen Querschnitt längs der Linie H-II durch die Anordnung nach Fig. 1,
F i g. 3 und 4 schematisch eine Draufsicht auf die Hall-Eiemente der Anordnung nach den F i g. 1 und 2 in
zwei verschiedenen Schaltungen,
Fig.5 schematisch eine Draufsicht auf eine andere
Ausführungsform der Hall-Elemente,
F i g. 6 schematisch eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Hall-Elemente, &o
Fig.7 schematisch eine Draufsicht auf noch eine
weitere Ausführungsform der Hall-Elemente und
F i g. 8 eine Draufsicht auf eine integrierte Schaltung, die Hall-Elemente nach F i g. 5 enthält.
Der Deutlichkeit halber sind die Figuren schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet Entsprechende Teile
sind in den Figuren im allgemeinen mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In der Draufsicht nach F i g. 1
sind Metallschichten, die die Verbindungen bilden, schraffiert dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf und F i g. 2 schematisch
einen Querschnitt längs der Linie 11-11 durch ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung nach
der Erfindung. Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper aus Silicium, der aus einem Substrat 22 aus
p-leitendem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von etwas 3 Ω · cm und einer darauf angewachsenen
epitaktischen Schicht 23 aus η-leitendem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1,5 Ω ■ cm und
einer Dicke von etwa 10 μιη besteht.
Ein inselförmiger Teil 23/4 der epitaktischen Schicht
ist durch eindiffundierte p-leitende Zonen 24 auf übliche Weise gegen den übrigen Teil der üalbleiterschicht
isoliert und bildet einen schichtförmigen Hall-Körper, der mit Stromkontakten, über die ein Strom in lateraler
Richtung, d. h. in einer Richtung praktisch parallel zu der Oberfläche 9, durch den Hall-Körper 23,4 fließen kann,
und mit Hall-Kontakten zur Entnahme elektrischer Hall-Signale, dje im Hall-Körper 23,4 mit Hilfe eines
Magnetfeldes B (siehe Fig. 2) erzeugt werden können, versehen ist. Diese Kontakte (in Fig. 1 die Kontakte
1—8) sind derart angeordnet, daß die Kontakte 1, 3, 5 und 7 ein Quadrat bilden und daß die Kontakte 2, 4, 6
und 8 sich praktisch auf der Mitte der Seiten dieses Quadrats befinden. Sie können vorteilhaft derart
geschaltet werden, daß die Kontakte 2, 4, 6 und 8 als Stromkontakte und die Kontakte 1, 3, 5 und 7 als
Hall-Kontakte dienen, aber sie können auch derart geschaltet werden, daß die Kontakte 1, 3, 5 und 7 als
Stromkontakte und die Kontakte 2, 4, 6 und 8 als Hall-Kontakte dienen.
Der Halbleiterkörper ist an der Oberfläche 9 mit einer Isolierschicht 18, z. B. aus Siliciumdioxid, überzogen,
in der sich Kontaktfenster oberhalb der Kontakte 1—8 befinden. Die genannten Kontakte sind über
Metallschichten 10,11,12 und 13 z. B. Aluminiumschichten,
die in F i g. 1 schraffiert dargestellt sind und sich auf der Isolierschicht 18 erstrecken, angeschlossen und in
diesem Beispiel mit metallenen Anschlußflächen 14,15, 16 und 17 verbunden, auf denen Anschlußdrähte, z. B.
Golddrähte, angebracht werden können. Statt dessen können namentlich die sich an die Hall-Kontakte
anschließenden Metallschichten mit anderen Schaltungselementen einer monolithischen integrierten
Schaltung, von der die Hall-Elemente einen Teil bilden, z. B. mit der Basis eines Transistors verbunden sein, z. B.
des Transistors, von dem in F i g. 1 und 2 die p-leitende Basiszone 19 und die η-leitende Emitterzone 20
dargestellt sind. Es sei weiter bemerkt, daß die Isolierung der Insel HA hier mittels einer p-leitenden
Zone 24 erhalten wird, aber das in der Praxis die Zone 24 auch vorteilhaft aus einer wenigstens teilweise in den
Halbleiterkörper versenkten Zone aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. thermischem Siliciumdioxid,
oder aus einer Nut bestehen kann, die sich über die ganze Dicke der Schicht 23 erstreckt und gegebenenfalls
mit Isoliermaterial, z. B. isolierendem polykristallinem Silicium, ausgefüllt ist.
Die Halbleiteranordnung enthält eine Anzahl m, in
diesem Falle vier, Hall-Elemente, die in dem Hall-Körper 23/4 untergebracht sind. Wenn die Kontakte 2, 4, 6
und 8 als Stromkontakt und die Kontakte 1,3,5 und 7 als
Hall-Kontakte verwendet werden, sind diese Hall-Elemente aus dem Hall-Körper 23/4 und nacheinander den
Kontakten (2, 3, 4), (4, 5, 6), (6, 7, 8) und (8, 1, 2) aufgebaut. Wenn ein konventioneller (von positivem zu
negativem Potential verlaufender) Strom den miteinander verbundenen Kontakten 2 und 6 zugeführt und über
die ebenfalls miteinander verbundenen Kontakte 4 und 8 abgeführt wmd, werden unter der Einwirkung des
Magnetfeldes B die miteinander verbundenen Hall-Kontakte 1 und 5 ein praktisch gleiches Hall-Potential
der einen Polarität und die ebenfalls miteinander verbundenen Hall-Kontakte 3 und 7 ein praktisch
gleiches Hall-Potentiaj der anderen Polarität annehmen. Die Hall-Elemente sind in zwei Gruppen unterteilt (2,3,
4; 6, 7, 8) und (2, I1 8; 6, 5, 4), die aus je zwei
Hall-Elementen mit praktisch parallelen Hauptstromrichtungen (Verbindungslinien zwischen den Kontakten
2 und 4, 4 und 6, 6 und 8 sowie 8 und 1) bestehen, wobei die Hauptstromrichtungen von 2-»4 und 6->8 der
einen Gruppe einen Winkel von 90° mit den Hauptstromrichtungen 2-* 8 und 6-»4 der anderen
Gruppe einschließen. Nach Obenstehendem weisen die Hall-Kontakte 1 und 5 die eine Polarität und weisen die
Hall-Kontakte 3 und 7 der anderen Gruppe die andere Polarität auf, während die Hall-Kontakte gleicher
Polarität miteinander verbunden und mit je einem Anschlußleiter versehen sind. In diesem Beispiel weisen
die beiden Hall-Elemente jeder Gruppe, z. B. (2, 3, 4) und (6, 7, 8), parallele, aber entgegengesetzte Haupt
Stromrichtungen (2— 4 — 4 und 6 — 8) auf, während die zugehörigen Hall-Kontakte 3 und 7 die gleiche Polarität
haben.
In der Anordnung nach den F i g. 1 und 2 können auch
z. B. die Kontakte 1 und 5 als Stromzuflußkontakte und die Kontakte 3 und 7 als Stromabflußkontakte
verwendet werden. Die Kontakte 2,4,6 und 8, die in der
Mitte der Seiten des Quadrates 1-3-5-7 liegen, sind dann die Hall-Kontakte, und auch in diesem Fall bilden die
Hall-Elemente zwei Gruppen (1,2,3; 5,6, 7) und (3,4,5;
7, 8, 1) von je zwei Hall-Elementen mit parallelen, aber entgegengesetzten Hauptstromrichtungen, wobei die
Hall-Kontakte 2 und 6 die eine Polarität und die Hall-Kontakte 4 und 8 die andere Polarität aufweisen.
In beiden Fällen sind die Stromkontakte auf dem Hall-Körper an den Eckpunkten eines ersten regelmäßigen
Vielecks, in diesem Fall eines Quadrats, angeordnet, wobei, rings herum von Stromkontakt zu Stromkontakt
gehend, jeder Stromzuflußkontakt zwischen zwei Stromabflußkontakten liegt, während die Hall-Kontakte
an den Eckpunkten eines zweiten Quadrats angeordnet sind, das zu dem ersten Quadrat konzentrisch
ist und zu dem ersten Quadrat symmetrisch angeordnet ist. Die Hall-Kontakte sind am Rande des
H all-Körpers angeordnet.
In der Praxis stellt sich heraus, daß die Anordnung nach den F i g. 1 und 2 eine sehr gute Unterdrückung der
Nullspannung und insbesondere eine sehr gute Unterdrückung der Druckempfindlichkeit der Nullspannung
in den beiden oben beschriebenen Schaltungen liefert. Die Abmessungen des Hall-Körpers 23Λ sind sehr
gering, und zwar 200 χ 200 μπι, was darauf zurückzuführen
ist, daß die Hall-Elemente nicht voneinander getrennt und ihre Strombahnen eigentlich mehr oder
weniger miteinander verflochten sind. Dadurch ist in der angenäherten Gleichung für den Flächenwiderstand
Qs = ρο + ajx+b\y+ a2x2 + biy2 + kxy+...
der Wert der Koeffizienten a, b, und k über den ganzen
Hall-Körper praktisch gleich. Aus diesem Grunde kann das obengenannte günstige Ergebnis vermutlich auf
folgende Weise erklärt werden.
In F i g. 3 sind die Hall-Elemente nach F i g. 1 schematisch gemäß einer der beschriebenen Schaltungsmöglichkeiten
und in Fig.4 gemäß der anderen Schaltungsmöglichkeit dargestellt. In beiden Fällen sind
die x- und /-Achsen gemäß den Hauptstromrichtungen in den Elementen gewählt. Die miteinander verbundenen
Stromzuflußkontakte sind mit + und die ebenfalls miteinander verbundenen Stromabflußkontakte sind
mit - bezeichnet, während Hall-Kontakte gleicher Polarität mit weißen bzw. schwarzen Kreisen angedeutet
und die Hall-Anschlüsse der Anordnung mit H\ und Hi bezeichnet sind, Die Aufmerksamkeit sei darauf
gelenkt, daß in den Fig.3, 4, 6 und 7 der Deutlichkeit
halber die elektrische Verbindung zwischen den Stromzuflußkonlakten ( + ) und die zwischen den
Stromabflußkontakten (—) weggelassen sind.
Wenn nun der Flächenwiderstand sich gleichmäßig von hoch zu niedrig in der x-Richtung ändert, während
er in der y-Richtung konstant bleibt, wird im Falle der Fig. 3 der Hall-Kontakt 2 ein niedrigeres und der
Hall-Kontakt 6 ein entsprechend höheres Potential infolge des Termes erster Ordnung a\x in der Gleichung
erhalten. Die resultierende Nullspannung an dem Hall-Anschluß W, wird also in dem Term erster
Ordnung 0 sein, während diese Widerstandsänderung in der x-Richtung auf dem Hall-Anschluß H2 keiner.
Einfluß ausübt. Auf analoge Weise ist ersichtlich, daß der Term erster Ordnung b\y keinen Einfluß auf die
Nullspannung ausübt. Aus Symmetriegründen läßt sich verstehen, daß die Terme zweiter Ordnung a2x2 und fax2
3u keinen Einfluß ausüben. Um den Einfluß des Termes
zweiter Ordnung kxy zu prüfen, sei z. B. angenommen, daß der Flächenwiderstand von einem höheren Wert in
den Quadranten der Kontakte 3 und 7 auf einen niedrigeren Wert in den Quadranten abnimmt, in denen
κ sich die Kontakte 1 und 5 befinden. Dadurch
verschieben sich sowohl die Potentiale der Kontakte 2 und 6 als auch die Potentiale der Kontakte 4 und 8 in
positivem Sinne. Die dadurch herbeigeführte gemeinsame Komponente der Nullspannung ist aber nur von dem
Term zweiter Ordnung kxy abhängig.
Die Erklärung für den Fall nach F i g. 4 ist völlig analog und führt zu dem gleichen Ergebnis.
Es leuchtet ein, daß die an Hand der Fig. 1 bis 4
beschriebenen Anordnungen mehr Strom als ein einziges Hall-Element oder zwei parallelgeschaltete
Hall-Elemente mit demselben Abstand zwischen den Stromkontakten und demselben Flächenwiderstand des
Hall-Körpers wie die beschriebene Anordnung verbrauchen. Um die verbrauchte Leistung zu beschränken,
können, wie in F i g. 5 schematisch angegeben ist, Einkerbungen 21 am Rande des Hall-Körpers vorgesehen
werden, die sich zwischen den Strom- und Hall-Kontakten erstrecken. Es stellt sich in der Praxis in
der Tat heraus, daß auf diese Weise der Stromverbrauch erheblich beschränkt werden kann, während dennoch
die Vorteile der Anordnung völlig oder größtenteils erhalten bleiben. Die Einkerbungen brauchen naturgemäß
nicht die in F i g. 5 dargestellte Form aufzuweisen, sondern können auch eine andere Form haben.
Es stellt sich heraus, daß die Anordnung nach den F i g. 1 und 2 (die auch auf die in F i g. 5 dargestellte
Weise ausgeführt sein kann) verschiedene Empfindlichkeiten liefert, je nachdem die Schaltung nach Fig.3
oder die Schaltung nach F i g. 4 verwendet wird. Es zeigt sich, daß in der Schaltung nach F i g. 4, wie sich erwarten
ließ, der Stromverbrauch hoch ISt1 aber daß bei
Anwendung desselben Magnetfeldes B die Empfindlichkeit auch größer ist, und zwar daß die Empfindlichkeit
proportional mit dem Stromverbrauch zunimmt. Ein besonders interessanter Vorteil einer solchen Anordnung
ist also der, daß bei denselben Hall-Elementen durch Vertauschung der Funktionen der Strom- und
Hall-Kontakte die Empfindlichkeit der Hall-Elemente erheblich geändert werden kann.
In den Anordnungen nach den Fig. 1 bis 5 sind die
Strom- und Hall-Kontakte an den Eckpunkten eines Quadrates angeordnet. Auch andere Vierecke, z. B. eine
Raute oder ein anderes Parallelogramm, können verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Hall-Elemente
in Gruppen von zwei zueinander parallelen Elementen unterteilt werden können. Die Nullspannungs-Unterdrückung
ist dann aber in der Regel nicht optimal. Auch Vielecke mit einer (geraden) Anzahl
Ecken von mehr als vier können verwendet werden, wobei jedoch die Anzahl Stromkontakte und somit der
Stromverbrauch stets zunimmt. Dies kann aber in gewissen Fällen durch zusätzliche Vorteile ausgeglichen
werden. Beispielsweise zeigt F i g. 6 schematisch eine Draufsicht auf eine Anordnung mit einem Hall-Körper
30 mit sechs Hall-Elementen, deren Hauptstromrichuingen mit Pfeilen angegeben sind, wobei die Stromzuflußkontakte
( + ) (32, 36, 40), die miteinander verbunden sind und die ebenfalls miteinander verbundenen :>
Stromabflußkontakte (-) (34, 38, 42) sich an den Eckpunkten eines regelmäßigen Sechsecks befinden,
während die Hall-Kontakte der einen Polarität (31, 35,
39) und der anderen Polarität (33, 37, 41) sich an den Eckpunkten eines anderen zu dem ersten Sechseck
konzentrischen und zu diesem symmetrisch angeordneten Sechsecks befinden. Diese Anordnung setzt sich aus
drei Paaren von Hall-Elementen zusammen, von denen jedes Paar aus zwei Komponenten (z. B. [40, 41, 42] und
[36, 35, 34]) besteht, deren Hauptstromrichtungen im js
Gegensatz zu dem vorhergehenden Beispiel einander gleich sind und deren Hall-Kontakte 41 und 35. ebenfalls
im Gegensatz zu dem vorhergehenden Beispiel, entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Hall-Kontakte
der gleichen Polarität sind in dieser Figur auch auf gleiche Weise dargestellt. Die Anordnung nach F i g. 6
weist den Vorteil auf, daß die gemeinsame Komponente der Nullspannung, die in r*en Anordnungen nach den
F i g. 1 bis 5 noch als Term zweiter Ordnung vorhanden war, hier auch völlig unterdrückt wird, weil hier die
Hall-Elemente mit Hall-Kontakten gleicher Polarität (z.B. [32, 31, 42], [34, 35, 36] und [38, 39, 40])
Hauptstromrichtungen aufweisen, die Winkel von 120° miteinander einschließen und dadurch der Bedingung
entsprechen, daß die Summe der Kosinusse des Zweifachen des Winkels zwischen jeder Hauptstromrichtung
und einer beliebigen Bezugsachse parallel zu der Oberfläche praktisch gleich Null ist, wie sich leicht
feststellen läßt. Diese Bedingung steht mit der Tatsache im Zusammenhang, daß sich die Nullspannung sinusförmig mit dem Zweifachen des genannten Winkels ändert
(siehe in diesem Zusammenhang auch die vorerwähnte DE-PS 2 32 673.
Es ist nicht notwendig, daß die Hall-Elemente, wie in
den bisher beschriebenen Anordnungen, sich überlappende Strombahnen aufweisen. Auch mit Hall-Elementen, deren Strombahnen praktisch völlig voneinander
getrennt sind, läßt sich ein Ausführungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung erhalten. Siehe z. B.
F i g. 7, die eine Anordnung zeigt die nahezu gleich der nach den F i g. 1 und 2 ist, nur mit dem Unterschied, daß
die Hall-Elemente getrennte Strombahnen aufweisen, weil der Hall-Körper 23A, der auf der Außenseite von
dem Isoliergebiet 24S begrenzt ist, in vier Gebiete mit voneinander getrennten Strombahnen durch das Isoliergebiet
24/4 unterteilt ist. Es ist jedoch darauf zu achten, daß die Hall-Kontakte nicht symmetrisch zu den
Rändern der Hall-Elemente, zu denen sie gehören, angeordnet sind, weil sona kein oder nur ein sehr
kleines Hall-Signal entnommen werden kann. Dera-tige
zusätzliche Isoliergebiete 24Λ können unter Umständen vorteilhaft sein, indem der Stromverbrauch geringer ist.
Es ist einleuchtend, daß die Hall-Elemente nicht, wie in Fig. 7, miteinander zusammenzuhängen brauchen,
sondern auch im Halbleiterkörper gegeneinander isoliert und dort leitend miteinander verbunden sein
können. Dies beansprucht aber Raum. Die Hall-Elemente müssen aber durch Teile desselben Halbleiterkörpers
gebildet werden, weil sonst die gegenseitige Korrelation der Nullspannungen, auf die sich die Erfindung gründet,
nicht vorhanden ist.
Die beschriebenen Anordnungen können alle durch Anwendung in der Halbleitertechnik allgemein bekannter
Verfahren hergestellt werden. So wird z. B. zur Herstellung der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 von
einem p-leitenden Substrat 22 aus Silicium mit einer Dicke von etwa 200 μηι und einem spezifischen
Widerstand von etwa 3 Ω cm ausgegangen. Auf diesem Substrat wird durch bekannte Verfahren eine n-leitende
Siliciumschicht 23 mit einer Dicke von etwa 10 μΐη und
einem spezifischen Widerstand von etwa 1,5Q-Cm
angewachsen. Dann werden unter Verwendung bekannter photolithographischer Ätzverfahren die p-leitenden
Isolierzonen 24 durch z. B. eine Bordiffusion erzeugt. Durch weitere übliche Diffusions- oder Implantationstechniken werden danach die Basiszone 19 und die
Emitterzone 20 gebildet. Dabei sei bemerkt, daß zur Vergrößerung des Widerstandes des Hall-Körpers in
der Insel eine p-leitende Oberflächenzone, erwünschtenfalls
zugleich mit der Basiszone 19, gebildet werden kann, wodurch die Dicke des Hall-Körpers herabgesetzt
wird. Weiter können nötigenfalls z. B. zugleich mit der Emitterzone 20 η-leitende Kontaktzonen auf dem
Ha!!-Körper 23,4 gebildet werden. Auf übliche Weise wird dann, sofern sie durch die durchgeführten
Vorgänge noch nicht erhalten ist, die Isolierschicht 18 gebildet, wonach Kontaktfenster gebildet werden und
die Metallisierung stattfindet. Mehrere der genannten Anordnungen können zu gleicher Zeit auf derselben
Halbleiterscheibe hergestellt und dann voneinander getrennt werden.
Statt Silicium kann für den Halbleiterkörper auch ein anderes Halbleitermaterial, z. B. eine lll-V-Verbindung.
wie Indiumarsenid oder Indiumantimonid, verwendet werden. Weiter kann statt eines Substrats mit einem
dem des Hall-Körpers entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auch ein Substrat aus Isoliermaterial verwendet
werden, während die Leitfähigkeitstypen der in den Ausführungsbeispielen angegebenen Halbleitergebiete
je durch den engegengesetzten Typ ersetzt werden können, wodurch die η-leitenden Zonen zu p-leitenden
Zonen werden, und umgekehrt
Vorteilhafterweise kann der Widerstand des Hall-Körpers dadurch vergrößert werden, daß z. B. in den
beschriebenen Ausführungsbeispielen die Dicke des Hall-Körpers mittels einer p-leitenden Oberflächenzo
ne herabgesetzt wird, die, mit Ausnahme der Kontaktstellen, über die ganze Oberfläche des Hall-Körpers
angebracht ist, wodurch der Hall-Körper sich im wesentlichen zwischen dem p-leitenden Substrat und
dieser p-leitenden Oberflächenzone erstreckt. Eine
derartige Vergrößerung des Widerstandes kann auch mit Hilfe einer p-leitenden vergrabenen Schicht
erhalten werden, wobei in dem Substrat an der Stelle des Hall-Körpers eine hochdotierte p-leitende Oberfiäehenzone
erzeugt ist, die sich während der Herstellung der Anordnung in der epitaktischen Schicht ausbreitet.
Die Halbleiteranordnung nach der Erfindung kann auf gleiche Weise wie jedes andere Hall-Element in
einer Schaltung verwendet werden. Zur Veranschauli-
chung zeigt Fig.8 eine monolithische integrierte
Schaltung, in der ein Hall-Element nach Fig. 5 verwendet wird, dessen Hall-Kontakte 1 und 5 mit der
Basis des Transistors Γι verbunden sind, während die
Hall-Kontakte 3 und 7 mit der Basis des Transistors T2
gemäß den schraffierten Metallbahnen verbunden sind. Der Hall-Körper weist ADmessungen von 220 χ 220 μπι
auf; die Kontakte liegen alle in einem Abstand von 20 μητ von dem Rand.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (13)
1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der eine Anzahl von Hall-Elementen mit
schichtförmigen, sich parallel zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckenden Hall-Körpern
enthält, welche Hall-Körper jeweils mit einem Stromzufluß- und einem Stromabflußkontakt, über
die ein Strom in lateraler Richtung durch den Hail-Körper fließen kann, und mit mindestens einem
Hall-Kontakt zur Entnahme elektrischer Hall-Signale, die im Hall-Körper mit Hilfe eines Magnetfeldes
erzeugt werden können, versehen sind, bei der sowohl die Stromzuflußkontakte als auch die
Stromabflußkontakte und die Hall-Kontakte jeweils elektrisch miteinander verbunden sind und bei der
die Hall-Elemente verschiedene Hauptstromrichtungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hall-Elemente jeweils nur einen mit einem Anschlußleiter versehenen Hall-Kontakt (1, 3, 5, 7
oder 2,4,6,8; 31,33,35,37,39,41) enthalten und in
mindestens zwei Gruppen von je zwei Hall-Elementen mit zueinander praktisch parallelen Hauptstromrichtungen
unterteilt sind, derart, daß eine Hälfte der Hall-Kontakte (1, 5 bzw. 2, 6; 31, 35, 39) die eine
Polarität und die andere Hälfte (3,7 bzw. 4,8; 33,37,
41) die andere Polarität aufweisen, daß die Hall-Kontakte (1,5; 3,7 bzw. 2,6; 4,8; 31,33,35,37,
39, 41) der gleichen Polarität elektrisch miteinander verbunden und mit je einem Anschlußleiter (10 bis
17) versehen sind und daß die Hauptstromrichtungen verschiedener Gruppen verschieden sind.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Gruppe die beiden
Hall-Elemente (1, 2, 3; 5, 6, 7 bzw. 1, 8, 7; 3, 4, 5) entgegengesetzte Hauptstromrichtungen und Hall-Kontakte
(2,6 bzw. 4,8) gleicher Polarität aufweisen
(F ig. 3).
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Gruppe die beiden
Hall-Elemente (31, 32, 42; 36, 37, 38) gleiche Hauptstromrichtungen und Hall-Kontakte (31, 37)
mit entgegengesetzten Polaritäten aufweisen (F ig. 6).
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Elemente mit Hall-Kontakten
(31, 35, 39 bzw. 33, 37, 41) gleicher Polarität Hauptstromrichtungen aufweisen, bei denen
die Summe der Kosinusse des Zweifachen des Winkels zwischen jeder Hauptstromrichtung und
einer beliebigen Bezugsachse parallel zu der Oberfläche praktisch gleich Null ist.
5. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle
Hall-Elemente einen gemeinsamen Hall-Körper aufweisen.
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von den Strom- und Hall-Kontakten
wenigstens die Hall-Kontakte (1, 5; 3, 7 bzw. 2, 6; 4, 8; 31, 33, 35, 37, 39, 41) am Rande des
Hall-Körpers angeordnet sind.
7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper
ein Substrat (22) von einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine auf dem Substrat liegende epitaktische
Schicht (23) vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthält, und daß der Hall-Körper durch einen inselförmigen
Teil (23A) der epitaktischen Schicht gebildet wird, der von einer Isolierzone (24) umgeben ist, die diesen
Teil (23A) elektrisch gegen den übriger. Teil der epitaktischen Schicht (23) isoliert
8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkontakte (1,
3, 5, 7 bzw. 2, 4, 6, 8; 32, 34, 36, 38, 40, 42) auf dem Hall-Körper an den Eckpunkten eines ersten
regelmäßigen Vielecks angeordnet sind, wobei, rings herum von Stromkontakt zu Stromkontakt gehend,
jeder Stromzuflußkontakt zwischen zwei Stromabflußkontakten liegt, und daß die Hall-Kontakte (2,4,
6, 8 bzw. 1, 3, 5, 7; 31, 33, 35, 37, 39, 41) an den Eckpunkten eines zweiten regelmäßigen Vielecks
angeordnet sind, das die gleiche Anzahl Eckpunkte wie das erste Vieleck aufweist und das zu dem ersten
Vieleck konzentrisch ist.
9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Vieleck symmetrisch
zu dem ersten Vieleck angeordnet ist.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Kontakte (1, 3,
5, 7) ar. den Eckpunkten eines Quadrates liegen und daß sich die Stromkontakte (2,4, 6, 8) praktisch auf
der Mitte der Seiten dieses Quadrates befinden (F ig. 4).
U. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkontakte (1, 3,
5, 7) an den Eckpunkten eines Quadrates liegen und sich die Hall-Kontakte (2, 4, 6, 8) praktisch auf der
Mitte der Seiten dieses Quadrates befinden (F i g. 3).
12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Hall-Körpers
mit Einkerbungen (21) versehen ist, die sich zwischen den Strom- und Hall-Kontakten erstrekken(Fig.
5).
13. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hall-Körper durch einen isolierten Teil einer epitaktischen Schicht (23) gebildet wird, in
dem sich alle Hall-Elemente befinden, und daß in der epitaktischen Schicht (23) weitere Halbleiterschaltungselemente
(19,20) angebracht sind.
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