DE2804373C2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- DE2804373C2 DE2804373C2 DE2804373A DE2804373A DE2804373C2 DE 2804373 C2 DE2804373 C2 DE 2804373C2 DE 2804373 A DE2804373 A DE 2804373A DE 2804373 A DE2804373 A DE 2804373A DE 2804373 C2 DE2804373 C2 DE 2804373C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- hall
- contacts
- voltage
- plates
- plate
- 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.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 17
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 8
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 3
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] 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
- H10N52/101—Semiconductor Hall-effect devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one galvanomagnetic or Hall-effect element covered by groups H10N50/00 - H10N52/00
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hall-Generator gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Anwendung des Hall-Effektes in Halbleitern zum kontaktlosen,
mechanisch ausgeführten Schalten ist seit
vielen Jahren bekannt. Bis vor kurzem sind Hall-Effekt-
Bauelemente wegen ihrer hohen Kosten und ihrer geringen
Empfindlichkeit nicht in größerem Umfang eingesetzt
worden. Es wurde angenommen, daß zur Erzielung einer
ausreichenden Ausgangsspannung mit niedriger Restspannung
Materialien mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit
wie InAs-InP-Legierungen für die Generatoren verwendet
werden müssen, jedoch sind kostengünstige Herstellungsverfahren
für diese Materialien und Bauelemente nicht
entwickelt worden.
Fortschritte in der Silizium-Technologie ermöglichten
es nun, die niedrige Ladungsträgerbeweglichkeit und
die geringe Empfindlichkeit des Siliziums zu überwinden,
indem Schaltungen mit Hall-Generatoren, Vorverstärkern,
Signalformschaltungen und Auslöseschaltungen auf dem
gleichen Halbleiter-Chip integriert wurden.
Zwar sind die Empfindlichkeit und Temperatureinflüsse
Problembereiche, doch besteht die Hauptschwierigkeit
bei Silizium-Hall-Generatoren in der Restspannung, d. h.,
der ohne Anlegen eines Magnetfeldes auftretenden Ausgangsspannung.
Diese Spannung steigt, wenn die erforderliche
Symmetrie des Generators nicht beibehalten wird;
sie resultiert aus verschiedenen Einflußgrößen wie Masken-
und Ausrichtfehlern, Dotierungsinhomogenitäten,
nicht gleichmäßigen Diffusionen an Kontakten oder am
Rand des Generators, Scherungsbeanspruchungen, ausgedehnten
Defektstellen usw. Die Gesamtwirkung dieser
Einflußgrößen führt zu Restspannungen, die sich von
einem Halbleiter-Chip zum anderen auf einer Halbleiter-
Scheibe in nicht voraussagbarer Weise ändern und in der
Größenordnung der erwarteten Hall-Spannung oder sogar
darüber liegen können.
Ein Hall-Generator der eingangs beschriebenen Art ist aus der
DE-OS 23 26 731 bekannt. Bei diesem bekannten Hall-Generator ist die Restspannung reduziert. Es
werden Hall-Platten benutzt, die die Form eines Rechtecks haben.
Dabei zeigt sich jedoch, daß das Rechteck nicht die optimale
Form der Hall-Platte ist, wenn die Restspannung auf einem
möglichst geringen Wert gehalten werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hall-Generator
der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der die Restspannung
auf einem möglichst niedrigen Wert gehalten ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Beim erfindungsgemäßen
Hall-Generator kann eine ebenso große Ausgangsspannung
wie bei einer herkömmlichen Hall-Platte mit Rechteckform
erzielt werden, jedoch ist dabei der Energieverbrauch bis
zu 16% geringer. Die Anbringung der Kontakte an den Hall-
Platten ist dabei im Sinne einer Optimierung hinsichtlich der
Restspannung und hinsichtlich der Empfindlichkeit vorgenommen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 feine Draufsicht und eine herkömmliche Hall-Platte
mit Rechteckform,
Fig. 2A und 2B eine schematische Darstellung einer mathematischen
winkeltreuen Transformation,
Fig. 2C eine Ansicht
einer Hall-Platte in Form eines abgeschnittenen
Dreiecks, auf die zur Ableitung der theoretischen Grundlagen des
Ausführungsbeispiel der Erfindung von Fig. 3A Bezug genommen wird,
Fig. 3A eine Draufsicht auf eine rhombusförmige Hall-
Platte für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hall-Generators,
Fig. 3B eine Schnittansicht der Hall-Platte von Fig. 3A
längs der Linie 3B,
Fig. 4A eine schematische Darstellung der elektrischen
Verbindung eines Paares rechtwinklig zueinander
angeordneter herkömmlicher Hall-Platten mit Rechteckform,
Fig. 4B eine schematische Darstellung der elektrischen
Verbindung eines Paares auf rechtwinklig zueinander
angeordneten Hall-Platten in der
Ausführung von Fig. 2C,
Fig. 5A einen Schritt des Herstellungsverfahrens für
zwei senkrecht zueinander angeordnete, rhombusförmige
Hall-Plattenpaare für ein Ausführungsbeispiel eines Hall-Generators gemäß der Erfindung,
Fig. 5B einen Schnitt längs der Linie 5B-5B von Fig. 5A,
Fig. 6A einen weiteren Schritt des Verfahrens zur Herstellung
von zwei zueinander senkrechten, rhombusförmigen
Hall-Plattenpaaren für ein Ausführungsbeispiel eines Hall-Generators gemäß der Erfindung,
Fig. 6B einen Schnitt längs der Linie 6B-6B von Fig. 6A,
Fig. 7A eine Draufsicht auf zwei fertige, senkrecht zueinander
angeordnete rhombusförmige Hall-Plattenpaare
für ein Ausführungsbeispiel eines Hall-Generators gemäß der Erfindung und
Fig. 7B einen Schnitt längs der Linie 7B-7B von Fig. 7A.
In Fig. 1 ist eine herkömmliche Hall-Platte 10 dargestellt,
die einen Halbleiterkörper 11 mit Stromkontakten
12 und 13 und Hall-Spannungskontakten 14 und 15 aufweist.
Diese Hall-Platte könnte natürlich auch aus einem
Metall wie Wismut bestehen.
Die Spannung Vaus wird an den Hall-Spannungskontakten
14 und 15 gemessen; sie kann folgendermaßen ausgedrückt
werden:
Vaus = VH + VRest (1)
wobei die Hall-Spannung gegeben ist durch:
VH = α(tan R) Va (2)
Die angelegte Vorspannung ist die Spannung Va, und der
Ausdruck tan R=10-8µH ist der Tangens des Hall-Winkels,
der dem Produkt aus der Ladungsträgerbeweglichkeit μ
in cm² (Vs)-1 und der Feldstärke H in Ampere/m proportional
ist. Der dimensionslose Parameter α kennzeichnet die
Geometrie des Hall-Bauelements, und eine Maximierung
dieses Parameters α führt auch zu einer Maximierung der
gewünschten Ausgangsspannung. Für die Restspannung besteht die Beziehung
VRest = ε Va (3)
Der dimensionslose Parameter ε Hat im Idealfall den Wert
Null, doch hängt er tatsächlich von den zuvor erwähnten
Störfaktoren ab. Eine Optimierung erfordert eine Verkleinerung
des Parameters ε auf einen minimalen Wert.
Schließlich gilt:
Rin = ν-ρs (3′)
wobei Rin der Widerstand ist, den der Generator für die
Versorgungsspannungsquelle darstellt, während der Wert
ρs der spezifische Flächenwiderstand des den Generator
bildenden Siliziummaterials ist und der Parameter ν durch das Verhältnis L/W von
Länge zu Breite der Hall-Platte gegeben ist. Die Verlustleistung
im Generator beträgt:
Pin = Va²/Rin = Va²/ν ρs (4)
Daraus ergibt sich, daß eine Verringerung der Verlustleistung
auf einen Minimalwert für einen gegebenen spezifischen
Flächenwiderstand ρs eine Maximierung des Parameters
ν erfordert.
Unter Verwendung der Gleichungen (2) und (4) kann die
Hall-Spannung auch durch die Eingangsleistung ausgedrückt
werden:
VH = β tan R ρs 1/2 Pin 1/2 (5)
wobei gilt: β=ν1/2α; dies ist die Spannungs/Leistungs-
Gütezahl.
Die wichtigen Gleichungen seien hier noch einmal zusammengefaßt:
Vaus = VH + VRest (1)
VH = α (tan R) Va (2)
VRest = ε Va (3)
VH = β tan R ρs 1/2 Pin 1/2 (4)
tan R = 10-8 µH (5)
Als Beispiel der beabsichtigten Optimierung sei die
herkömmliche Hall-Platte von Fig. 1
betrachtet. Sie ist auf eine rechtwinklige Form beschränkt,
wobei beide Enden von einer Äquipotentialfläche
bedeckt sind, während sie Punktkontakte für die
Ausgangsspannung aufweist. Es sei angenommen, daß gilt:
tan R«1, ε=0 und ρs=fester Wert. Mit diesen Einschränkungen
ist die Optimierungsvariable das Verhältnis
von Breite zu Länge W/L, und es gilt:
Aus Tests ergibt sich, daß die Optimierung von W/L auf Kosten der
Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsleistung geht. Wenn
angenommen wird, daß jede zusätzliche Leistung zur Erhöhung
Der Spannung VH über 95% des Maximalwertes vergeudet
ist, ergibt sich der Optimalbereich folgendermaßen:
Für diesen Bereich liegen die Parameter α und β in den
Bereichen:
0,602 < α < 0,707 (8)
0,695 < β < 0,642 (9)
Die herkömmliche Hall-Platte kann einer winkeltreuen
Transformation gemäß Gleichung (10) unterzogen
werden, wie sie in den Fig. 2A und 2B dargestellt ist.
W = exp Z (10)
Diese Geometrie ist vorteilhaft bei der Ableitung der Bedingungen für die Reduzierung der
Restspannung.
In Fig. 2A ist die herkömmliche Hall-Platte mit der
Breite W und Länge L graphisch dargestellt.
In Fig. 2B sind die Hall-Spannungskontakte 14′ und 15′
im radialen Abstand rH=(r₁r₂)1/2 von der Mitte angeordnet,
wobei r₁ der Innenradius ist, während r₂ der
Außenradius ist. Der zu W/L äquivalente Wert wird aus
der folgenden Formel berechnet:
(W/L)äquivalent = R [ln(r₂/r₁)]-1 (11)
Für R=2π wird der die Bedingungen (8) und (9) erfüllende
Optimalbereich von r₂/r₁
4348 < (r₂/r₁) < 188 (12)
Dies ist ein Wertbereich, der mit Ausnahme von ziemlich
großen Bauelementen schwer zu erzielen ist. Eine in der
Praxis ausführbare äquivalente Form ist die eines abgeschnittenen
Dreiecks, wie sie in Fig. 2C dargestellt
ist. An der Basis dieses Dreiecks ist dabei der Stromkontakt
13′ angebracht; der andere Stromkontakt 12′ befindet
sich an der abgeschnittenen Spitze des Dreiecks.
Die Hall-Spannungskontakte haben die gleiche Lage wie
in Fig. 2B.
Für die nachfolgenden Ausführungen sei angenommen, daß
gilt: r₁=C, rH=XC und r₂=L.
Bei der Hall-Platte nach Fig. 2C ist die auf
eine Fehlausrichtung ΔX der Kontakte zurückzuführende Restspannung
über die Gesamtlänge der Platte nicht konstant,
wie es bei der rechteckigen Hall-Platte der Fall war.
Die Restspannung für diesen Fall ergibt sich aus:
Diese Fehlerspannung ändert sich mit dem Kehrwert der
Ortskoordinate des Hall-Kontaktpaares längs der Platte.
Zur Verringerung der Restspannung auf einen Minimalwert
für ien gegebenes Verhältnis L/C sollten die Hall-Kontakte
am Ort der größten Plattenbreite, also bei XC=L,
angebracht sein. Der bei X=L angebrachte Stromkontakt
schließt jedoch die Hall-Spannung in diesem
Bereich kurz. Zur Verringerung dieser Nebenschlußwirkungen
der Stromkontakte sollten die Hall-Kontakte an
einem dem geometrischen Mittelwert entsprechenden Ort,
also bei XC=√, angebracht sein. Die Anbringung der
Hall-Kontakte am Ort des geometrischen Mittelwertes führt
zu einer Restspannung, die sich aus der folgenden Beziehung
ergibt:
Fig. 3A zeigt eine rhombusförmige Hall-Platte 20 für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hall-Generators, die
elektrisch gesehen so betrachtet werden kann, als bestehe
sie aus zwei Rücken an Rücken angeordneten, abgeschnittenen
Dreiecken, von denen eines in Fig. 2C dargestellt ist. Dieses Bauelement kann eine
ebenso große Ausgangsspannung wie eine rechteckige
Hall-Platte bei einem bis zu 16% geringeren Energieverbrauch
erzeugen.
Bei dieser Anordnung sind die Hall-Spannungskontakte
22 und 25 (oder 23 und 24) am breitesten Abschnitt der
Platte angeordnet. Diese geometrische Anbringung dieser
Kontakte stellt eine optimale Anbringung sowohl hinsichtlich
der Restspannung als auch hinsichtlich der
Empfindlichkeit dar.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist zu erkennen,
daß die Stromkontakte und die Hall-Spannungskontakte
vertauschbar sind.
In Fig. 3B ist ein Substrat 33 aus p-leitendem Material
dargestellt, auf dem eine epitaktische Schicht 30 aus
n-leitendem Material aufgebracht ist. In die epitaktische
Schicht ist zum Isolieren und Abgrenzen der Hall-Platte 20
p-leitendes Material 31 und 32 eingebracht. Eine aus
Siliziumoxid bestehende Schicht 21 ist über der epitaktischen
Schicht 30 gebildet; in dieser Schutzschicht sind
Löcher 26 bis 29 angebracht, damit die Kontakte 22 bis 25
freigelegt werden, die aus N⁺-Material bestehen, das im
N-Material der epitaktischen Schicht 30 erzeugt ist.
Es folgt nun eine Analyse der Restspannung für das Ausführungsbeispiel
mit abgeschnittenen Dreiecken. Die
Restspannung ergibt sich aus:
Diese vereinfachte Analyse läßt eine Verbesserung gegenüber
der rechteckigen Hall-Platte um den Faktor 2/ln(L/C)
erkennen.
Ohne Magnetfeld steht das elektrische Feld E an jeder Stelle
durch folgende Gleichung mit der Stromdichte J in Beziehung:
E = ρ J (15)
In der zweidimensionalen Näherung hat der Tensor des spezifischen
Widerstandes die Form:
Wenn die Hall-Platte aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungswirkungen
oder wegen einer Verbiegung des Gehäuses auf
Scherung beansprucht wird, nimmt der Tensor des spezifischen
Widerstandes folgende Form an:
Bei Anlegen eines schwachen Magnetfeldes nimmt der Tensor
folgende Form an:
Die Größe R ist dabei der Hall-Koeffizient. Unter Bezugnahme
auf Fig. 4A sollen für den Hall-Generator mit einer herkömmlichen Hall-Platte 40 mit Rechteckform folgende
Größen gelten: jy=0 und Ey=(ρ′xy-RH)jx.
Daher gilt:
(VA-VB) = Vy = (ρ′xy-RH)lx/t = VRest-VH (19)
Der für die Restspannung verantwortliche Parameter ε,
der in der Gleichung (3) definiert wurde, ergibt sich
aus:
ε = (ρ′xy/ρ′xx) (W/L)
Nahe der rechteckigen Hall-Platte 40 ist im rechten
Winkel zu dieser eine weitere herkömmliche Hall-Platte
41 mit Rechteckform angebracht, wobei für die Hall-Platte 41 gilt: jx=0
und
(VD-VC) = Vx = (ρ′xy+RH)ly/t = VRest+VH (20)
Der Hall-Kontakt C der rechteckigen Hall-Platte 41 ist
über einen Leiter 42 mit einem Schalter 44 und über einen
Leiter 43 mit dem Hall-Kontakt A der rechteckigen Hall-
Platte 40 verbunden. Der Hall-Spanungskontakt D der
Hall-Platte 41 ist mit Hilfe von Leitern 53 und 51 über
einen Schalter 52 mit dem Hall-Spannungskontakt B der
Hall-Platte 40 verbunden. An die Stromkontakte 46 und 48
der Hall-Platten 41 bzw. 40 ist eine Vorspannung angelegt,
und die Stromkontakte 45 und 47 der Hall-Platten
41 bzw. 40 liegen an Masse. Die Ausgangsklemmen 49 und
50 sind mit den Leitern 42 bzw. 51 verbunden.
Wenn die Schalter 44 und 52 geschlossen sind, liegen die
Punkte A und C zwangsweise auf dem gleichen Potential.
Das gleiche gilt für die Punkte B und D. Die resultierende
Spannungsdifferenz ergibt sich in erster Ordnung
folgendermaßen:
VBD-VAC = [ (VB-VA)+(VD-VC) ]/2 = [ (-VRest+VH)+(VRest+VH) ]/2 = VH (21)
Die aufgrund einer gleichmäßigen Scherungsbeanspruchung
auftretende Restspannung hebt sich somit in erster Ordnung
für Paare aus rechtwinklig zueinander angeordneten Hall-Platten
auf, die nach Fig. 4A miteinander verbunden sind.
In Fig. 4B ist eine der Darstellung von Fig. 4A entsprechende
Anordnung von zwei rechtwinklig zueinander
angeordneten Hall-Platten dargestellt, die jeweils in
Form abgeschnittener Dreiecke gemäß Fig. 2C ausgeführt
sind. Dabei sind die einander entsprechenden Teile mit
den gleichen, jedoch gestrichenen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Wenn zwei oder mehr Hall-Platten auf dem gleichen
Chip miteinander verbunden werden, dann kann der Einfluß
geometrischer Wirkungen unter gewissen Umständen
ebenfalls reduziert werden. Es sei angenommen, daß auf
einem Chip n Hall-Platten angebracht sind und daß
die Wahrscheinlichkeit dafür, daß eine einzelne gegebene
Hall-Platte die Restspannung VRest=δ hat, durch die
normale Wahrscheinlichkeitsfunktion gegeben ist, nämlich
die Funktion
P-1(δ) = σ (2π)1/2exp [ (δ-μ)2/2σ2] (22)
wobei die Möglichkeit besteht, daß die Funktion P (δ) bei
einem von Null verschiedenen Wert δ=μ ein Maximum
hat und ferner die Standardabweichung durch σ gegeben ist.
Bei n Hall-Platten mit parallel geschalteten Hall-
Spannungskontakten kann der Kehrwert für die Wahrscheinlichkeit,
daß die Kombination die Restspannung δ hat,
folgendermaßen angegeben werden:
Pn -1(δ) = σn(2π)1/2exp [ (δ-μ)2/2σn 2] (23)
wobei gilt σn=σ · n-1/2. Der Kehrwert der Wahrscheinlichkeit
bei einer Restspannung mit dem Wert Null lautet
folgendermaßen:
Pn -1(0) = σ (2π)1/2n-1/2exp (nμ2/2σ2) (24)
Die Bedingung dafür, daß die Wahrscheinlichkeit für eine
Restspannung mit dem Wert Null für die Kombination aus n
miteinander verbundenen Hall-Platten größer als für eine einzelne
Hall-Platte ist, lautet folgendermaßen:
Pn(0) < P1(0) (25)
was die folgende Bedingung erfordert:
μ2/σ2 < ln(n)1/2/[2(n-1) ] (26)
Durch Verbinden mehrerer Hall-Platten kann also die Wahrscheinlichkeit
für das Vorliegen einer Restspannung mit dem
Wert Null vergrößert werden, vorausgesetzt, daß die Wahrscheinlichkeitsfunktion
nicht übermäßig gegen eine Richtung
der Restspannung "verzerrt" ist. Für eine unverzerrte
Verteilung (μ=0) gilt:
Pn(0) = n1/2P1(0) (27)
so daß für den Fall dieses Beispiels durch Verbinden
von vier Hall-Platten der Ausbeuteverlust aufgrund
der Restspannung um den Faktor 2 herabgesetzt werden
kann.
Wenn ein endlicher Wert der Restspannung zugelassen
wird, kann die Verbesserung noch größer sein. Als Beispiel
sei eine Gruppe von Hall-Platten betrachtet,
die durch eine unverzerrte Verteilung (μ=0) mit σ=
5 mV gekennzeichnet sind. Wenn eine Restspannung von
δ′=3 mV oder weniger zulässig ist, dann ist die Wahrscheinlichkeit
dafür, daß ein einziger Hall-Generator
brauchbar ist, folgendermaßen: erf(δ′/2σ)=0,452, während
die Wahrscheinlichkeit dafür, daß eine Kombination
aus vier Hall-Platten brauchbar ist, erf(δ²/2σ₄)=
0,769 ist. Der Ertragsverlust für eine einzelne Hall-
Platte beträgt daher 54,8%, während der für die Kombination
nur 23% beträgt.
Das Konzept der Scherungsspannungslöschung durch rechtwinklig
zueinander angeordnete Hall-Platten und
das Konzept der Restspannungsreduzierung durch statistische
Mittelung können mit jeder geradzahligen Anzahl
rechtwinklig zueinander angeordneter Plattenpaare mit parallel
geschalteten Hall-Spannungskontakten verwirklicht werden.
Eine Ausdehnung dieser Konzepte auf vielfache Differenzverstärker/
Hall-Platen-Kombinationen würde zu
einer weiteren Reduzierung der Gesamt-Restspannung von
Generator und Verstärker führen.
Die Ausgangsspannung des Hall-Generators hängt vom Typ
der verwendeten Ladungsträger ab. Die Beweglichkeit von
Elektronen in Silizium ist größer als die Beweglichkeit
von Löchern. Da die Hall-Spannung der Beweglichkeit der
Ladungsträger direkt proportional ist, sollten die Hall-
Platten als n-leitendem Silizium mit entsprechenden flachen
N⁺-Diffusionen sowohl für die Stromkontakte als
auch für die Hall-Spannungskontakt nach Fig. 3B hergestellt
werden.
Die Ausgangsspannung hängt auch von der Ladungsträgerkonzentration
innerhalb des Hall-Generators ab. Für
Konzentrationswerte über 10¹⁵ Atome/cm³ wird die Trägerbeweglichkeit
verschlechtert. Konzentrationswerte unter
10¹⁵ Atome/cm³ vergrößern den Innenwiderstand des Generators,
so daß die Generatorbelastung ein in Betracht zu
ziehender Faktor wird.
In der bevorzugten Ausführungsform sind zwei rechtwinklig
zueinander angeordnete Paare aus rhombusförmigen Hall-Platten
60-61 und 62-63 so geformt, wie es in den Fig. 5A
und 5B dargestellt ist. Ein p-leitendes Ausgangsmaterial
mit einem spezifischen Widerstand von 10 bis 20
Ohm · cm mit 111-Orientierung bildet ein Substrat 64, auf
dem durch Aufwachsen eine epitaktische Schicht 66 aus
n-leitendem Material gebildet ist. Über dem n-leitenden
epitaktischen Material ist eine Schutzschicht 68 aus
Siliziumoxid gebildet. In der epitaktischen Schicht sind
zur Abgrenzung der Hall-Platten 60 bis 63 p-leitende
Isolationszonen 67 gebildet.
In den Fig. 6A und 6B ist ein weiterer Schritt des
Herstellungsverfahrens veranschaulicht, wonach Kontakte
75 bis 78 aus N⁺-Material in der n-leitenden epitaktischen
Schicht 66 gebildet worden sind. Außerdem
ist die Erzeugung einer weiteren Schutzschicht 68 dargestellt,
wobei Kontaktöffnungen 71 bis 74 zu erkennen
sind. Diese Öffnungen und die Kontakte sind für die
Hall-Platten 62 und 63 dargestellt. Die übrigen
Kontakte und Öffnungen in den Hall-Platten 62, 63
und 60, 61 sind gleich; sie sind im einzelnen nicht
dargestellt. Das fertige Bauelement ist in den Fig. 7A
und 7B dargestellt. In Fig. 7B sind in Kontakt mit
den Kontakten 75 bis 78 stehende Leiter 80 bis 83 aus
Metall angebracht worden. Die Verbindungen sind nicht
dargestellt, doch sind im bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Leiter 81 und 84 an die Hall-Spannungskontakte
des Bauelements 62 angeschlossen, die Leiter 88 und 93
sind an die Hall-Spannungskontakte des Bauelements 60
angeschlossen, die Leiter 91 und 94 sind an die Hall-
Spannungskontakte des Bauelements 61 angeschlossen, und
die Leiter 82 und 87 sind an die Hall-Spannungskontakte
des Bauelements 63 angeschlossen. Die übrigen zwei Leiter
an jedem Bauelement sind an die Vorspannungsquelle
angeschlossen; sie dienen als Stromkontakte. Es sei
daran erinnert, daß bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Stromkontakte und die Hall-Spannungskontakte
vollständig vertauschbar sind, wobei die Auswahl
in willkürlicher Weise so erfolgt, daß die Paare rechtwinklig
zueinander liegen. Die Verbindungen sind zwar
nicht dargestellt, doch ist in Fig. 7B die Vorspannung
an die Leiter 92, 80, 95 und 83 angelegt. Die Leiter
89, 90, 85 und 86 liegen an Masse. Dieses Anschlußschema
der Versorgungsenergie kann auch umgekehrt werden.
Die Hall-Ausgangsspannung kann an den Leitern 81
und 82 abgegriffen werden. Der Leiter 81 ist mit den
Leitern 88, 94 und 87 verbunden. Der Leiter 82 ist mit
den Leitern 91, 93 und 84 verbunden. Auf diese Weise
sind die Hall-Spannungskontakte parallel geschaltet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform hat die optimale
Hall-Platte die Form eines Rhombus mit gleichen Seitenlängen.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwar nur zwei
rechtwinklige Paare von Hall-Platten zum Aufbau des Hall-Generators
dargestellt worden, doch ist zu erkennen, daß
auch mehrere Paare hinzugefügt
werden können.
Claims (6)
1. Hall-Generator mit
- (a) wenigstens zwei auf einem Halbleiterkörper gebildeten Hall-Platten mit jeweils zwei einander gegenüberliegend angebrachten Stromkontakten und zwei einander gegenüberliegend angebrachten Hall-Spannungskontakten, wobei die beiden Kontaktpaare relativ zueinander so angeordnet sind, daß eine die Mitte der Stromkontakte einer Hall-Platte verbindende Gerade im wesentlichen senkrecht zu einer die Mitte der Stromkontakte der anderen Hall-Platte verbindender Geraden verläuft,
- (b) einer Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an die Stromkontakte der beiden Hall-Platten,
- (c) einer Vorrichtung zum selektiven Anlegen eines Magnetfeldes, das die Hall-Platten im wesentlichen senkrecht zu ihrer Ebene schneidet,
- (d) einer Vorrichtung zum Verbinden der positiven Hall-Spannungskontakte jeder Hall-Platte sowie einer Vorrichtung zum Verbinden der negativen Hall-Spannungskontakte jeder Hall-Platte und
- (e) einer an die Verbindungsvorrichtungen angeschlossenen Ausgangsvorrichtung für den Empfang und die Übertragung eines resultierenden elektrischen Signals, das das die Hall-Platten schneidende Magnetfeld anzeigt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten (20; 60, 61,
62, 63) rhombusförmig sind, wobei die Stromkontakte (23, 24)
an gegenüberliegenden Spitzen der Hall-Platten und die
Spannungskontakte (22, 25) an den anderen gegenüberliegenden
Spitzen angeordnet sind.
2. Hall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens zwei Paare (60-61, 62-63) rhombusförmiger
Hall-Platten vorgesehen und so angeordnet sind, daß
alle die Mitten der Stromkontakte verbindenden Geraden senkrecht zueinander
verlaufen.
3. Hall-Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hall-Platten (20; 60, 61, 62, 63) aus
Halbleitermaterial bestehen.
4. Hall-Generator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platten (20; 60, 61,
62, 63) aus Metall bestehen.
5. Hall-Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenlängen der rhombusförmigen
Hall-Platten (20; 60, 61, 62, 63) gleich sind und
daß die Stromkontakte und die Hall-Spannungskontakte vertauschbar
sind.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US05/764,931 US4141026A (en) | 1977-02-02 | 1977-02-02 | Hall effect generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2804373A1 DE2804373A1 (de) | 1978-08-03 |
DE2804373C2 true DE2804373C2 (de) | 1991-06-06 |
Family
ID=25072193
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19782804373 Granted DE2804373A1 (de) | 1977-02-02 | 1978-02-02 | Hall-generator |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4141026A (de) |
JP (1) | JPS53108396A (de) |
DE (1) | DE2804373A1 (de) |
IT (1) | IT1090846B (de) |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4163986A (en) * | 1978-05-03 | 1979-08-07 | International Business Machines Corporation | Twin channel Lorentz coupled depletion width modulation effect magnetic field sensor |
DE3001772A1 (de) * | 1980-01-18 | 1981-07-23 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Halbleiterbauelement |
DE3110107A1 (de) * | 1981-03-16 | 1982-09-23 | Mannesmann Rexroth GmbH, 8770 Lohr | Kraftmessverfahren und kraftmessvorrichtung zur steuerung des krafthebers eines ackerschleppers |
EP0162165A3 (de) * | 1983-06-10 | 1986-07-16 | Texas Instruments Incorporated | Hall-Effekt-Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung |
US4578692A (en) * | 1984-04-16 | 1986-03-25 | Sprague Electric Company | Integrated circuit with stress isolated Hall element |
CH668147A5 (de) * | 1985-05-22 | 1988-11-30 | Landis & Gyr Ag | Einrichtung mit einem hallelement in integrierter halbleitertechnologie. |
CH669068A5 (de) * | 1986-04-29 | 1989-02-15 | Landis & Gyr Ag | Integrierbares hallelement. |
US4908527A (en) * | 1988-09-08 | 1990-03-13 | Xolox Corporation | Hall-type transducing device |
US5789915A (en) * | 1989-02-17 | 1998-08-04 | Nartron Corporation | Magnetic field energy responsive position sensing apparatus and method |
US7205622B2 (en) * | 2005-01-20 | 2007-04-17 | Honeywell International Inc. | Vertical hall effect device |
US8988072B2 (en) | 2011-07-21 | 2015-03-24 | Infineon Technologies Ag | Vertical hall sensor with high electrical symmetry |
US9007060B2 (en) * | 2011-07-21 | 2015-04-14 | Infineon Technologies Ag | Electronic device with ring-connected hall effect regions |
US9103868B2 (en) | 2011-09-15 | 2015-08-11 | Infineon Technologies Ag | Vertical hall sensors |
US9312472B2 (en) | 2012-02-20 | 2016-04-12 | Infineon Technologies Ag | Vertical hall device with electrical 180 degree symmetry |
DE102012024062A1 (de) * | 2012-12-10 | 2014-06-12 | Micronas Gmbh | Magnetfeldsensor |
US9252354B2 (en) * | 2013-01-29 | 2016-02-02 | Infineon Technologies Ag | Vertical hall device with highly conductive opposite face node for electrically connecting first and second hall effect regions |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5040994B2 (de) * | 1971-09-30 | 1975-12-27 | ||
NL173335C (nl) * | 1972-06-01 | 1984-01-02 | Philips Nv | Hall-element. |
JPS5145233B2 (de) * | 1973-08-06 | 1976-12-02 | ||
JPS561789B2 (de) * | 1974-04-26 | 1981-01-16 | ||
JPS5220317B2 (de) * | 1974-12-25 | 1977-06-02 | ||
US3994010A (en) * | 1975-03-27 | 1976-11-23 | Honeywell Inc. | Hall effect elements |
US3997909A (en) * | 1975-05-14 | 1976-12-14 | International Business Machines Corporation | High carrier velocity magnetic sensor |
JPS51147191A (en) * | 1975-06-12 | 1976-12-17 | Asahi Chem Ind Co Ltd | Hall element and its method of manufacturing |
-
1977
- 1977-02-02 US US05/764,931 patent/US4141026A/en not_active Expired - Lifetime
- 1977-12-23 IT IT52372/77A patent/IT1090846B/it active
- 1977-12-28 JP JP16091677A patent/JPS53108396A/ja active Granted
-
1978
- 1978-02-02 DE DE19782804373 patent/DE2804373A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS53108396A (en) | 1978-09-21 |
US4141026A (en) | 1979-02-20 |
DE2804373A1 (de) | 1978-08-03 |
IT1090846B (it) | 1985-06-26 |
JPS6228600B2 (de) | 1987-06-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2804373C2 (de) | ||
EP0148330B1 (de) | Integrierbares Hallelement | |
DE69403466T2 (de) | Vorrichtung zur messung von elektrischem strom mit einem auf magnetfluss ansprechenden wandler, insbesondere für die verwendung bei elektrisch betriebenen fahrzeugen | |
DE69128144T2 (de) | Kaltkathoden-feldemissionsvorrichtung mit integriertem emitter-belastungswiderstand | |
DE102014212651B4 (de) | Widerstandselement mit spezifischem Piezowiderstandskoeffizienten, stresskompensiertes Sensorsystem und Verfahren | |
DE1260029B (de) | Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen auf einem Halbleitereinkristallgrundplaettchen | |
WO2001018556A1 (de) | Hall-sensoranordnung zur offset-kompensierten magnetfeldmessung | |
DE2940699A1 (de) | Mosfet-anordnung, insbesondere leistungs-mosfet-anordnung | |
DE1080693B (de) | Elektrische Halbleitervorrichtung | |
DE2834759C2 (de) | Schutzeinrichtung für die isolierte Gate-Elektrode eines MOS-Halbleiterbauelements | |
DE2556668C3 (de) | Halbleiter-Speichervorrichtung | |
DE69021915T2 (de) | MOS-Pilotstruktur für einen Transistor mit isolierter Steuerelektrode und Verfahren zur Versorgung eines solchen Transistors mit Pilotstrom. | |
DE1810322B2 (de) | Bipolarer Transistor fur hohe Ströme und hohe Stromverstärkung | |
DE2658090C2 (de) | Monolithisch integrierter bipolarer Transistor mit niedrigem Sättigungswiderstand | |
DE69619265T2 (de) | Esd-schutzstruktur für halbleiterchips | |
DE3851175T2 (de) | Bipolartransistor mit Heteroübergängen. | |
DE1489193C3 (de) | Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung | |
EP0689723B1 (de) | Halleffekt-einrichtung mit strom- und hallspannungs-anschlüssen | |
DE1166340B (de) | Halbleiteranordnung aus mit Aktivatoren dotiertem kristallinem Material und mit zweiohmschen Kontaktelektroden | |
DE3713901A1 (de) | Integrierter schaltkreischip | |
DE2101279C2 (de) | Integrierter, lateraler Transistor | |
DE2607194C2 (de) | Halbleiteranordnung | |
DE1614250B2 (de) | Halbleiteranordnung mit gruppen von sich kreuzenden verbindungen | |
DE102021213774A1 (de) | Digital-Isolator | |
DE69009820T2 (de) | Halbleiteranordnung mit eindimensionalen Dotierungsleitern und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiteranordnung. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition |