SU733513A3 - Датчик магнитного потока - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к полупроводниковым приборам и магнитным датчикам , в частности к датчикам Холла.

известны датчики Холла, которые обычно создают напр жение считывани  или выходное напр жение Холла в лучшем случае пор дку 10-20 милли:вольт на килогаус. Они представл ют собой металл-окисел-кремниевый преобразователь магнитного пол  высокой чувствительности.

Эти устройства малочувствительны.

Известен датчик магнитного потока , содержащий слой провод щего полупроводникового материала, два контакта пол , выходной контакт и источник напр жени .

У этого устройства тот Же недостаток .

С целью повьиени  чувствительности в датчике магнитного потока, имеющем слой-провод щего полупроводникового материала, два отдельных контакта пол , прикрепленных к этому спою, выходной контакт, присоединенный к слою между двум  отдельными контактами, и источник напр жени  которого соединены с контактами пол , отношение величины приложенного напр жени  к рассто нию

2

между контактами пол  равно по крайней мере 500 вольтам на сантиметр а электрическое сопротивление между, двум  контактагда пол  - по крайкей

б мере 500 - омам, где L - длина, а W - ширина провод щего сло  между контактами пол .

На фиг.1 и 2 изображены два варианты выполнени  устройства; фиг.З

0 изображает вариант соединени  р да датчиков,обеспечивающих балансирование напр жени  смещени :на фиг.4 и 5 изображены варианты устройства с использованием технологий созда 8 ни  интегральных схем в виде, подобном тому, что приведен на фиг.З; на фиг.6 показана в схематическом виде работа устройства без приложени  магнитного пол ; на фиг.7 ® то же при приложении магнитного пол .

Слой 1 провод щего полупроводникового материала имеет контакты 2

и 3 дл  приложени  напр жени  поперечного пол . Источник напр жени  соединен, например, с контактом 2, а контакт 3 заземлен. Поэтому между контактами 2 и 3 существуетэлектри® ческое поле Е. Слой 1 имеет о инановое сопротивление по всей длина Поэтому легко определить электрический потенциал влюбой узловой точке вдоль него, как. пропорциональный гапр жению источника. Выходной контакт 5 показан расположенным в некоторой точке между контактами ,2 и 3, Обнаружено, что если проводимость в омах на единицу площади сло  1 полупроводникового материала удерживать в пределах определенных минимал ных диапазонов и если электрическое поле менэду контактами 2 и 3 сохран т на достаточно высоком уровне; выходн сигнал напр жени  с контакта 5 будет на один или два пор дка больше, чем в известных датчиках Холла,, Это значит , что достигаютс  подвижнос: и носителей, приближающиес  к уров  м объемных подвижностей основного полу проводникового материала. . Основной режи работы усо:ройсгвг1 заключаетс  в том, что Лоренцово отклонение зар женных носителей приводит к напр жению Холла,Фиг.В показывает в схематической форме основну структуру устройства, в которой источник напр жени  4 подключен, к -контактам 2 и 3, которые наход тс  на противолежащих сторонах сло  1 полупроводникового материала. Выходной контакт 5 расположен между :онтактам 2 и 3. Длина L сло  до сонтэл та 5 измер етс  как рассто ние X. а напр жение UQ ме;-кду контактом 5 и  вл етс  выходным налр жениеьч которое должно контролировб.тьс  „ Шир на сло  1 составл ет величину W, электрическое поле Е существует межд контактами 2 и 3, Если удельное сопротивление сло  1 между контактагж 2 и 3 равномерно, потенциал напр жен в любой точке X по длине L пропори о напен его смещению от источника напр жени  4,Плотность тока D зар  женных носителей в слое 1 така , кан показано на фиг. 6. Здесь вертикальни пунктирные линии отмечают линии одинакового потенциала вдоль сло  1. В этом состо нии к слою 1 не приложено .никакого магнитного пол  В Датчик реагирует на перпендикул рно направленные пол  .пол рностью, котора  направлена внутрь или наружу плоскос ти фиг, б. На фиг, 7 по существу во.спроизведе на фиг.6, но с. магнитным полем В, направленным в плоскость бумаги, как показано пересечением X в части сло  1 фиг.6, Это поле должно поворачивать линии одинаковых потенциалов так, чтобы их концы смещались на величину-ё от их исходного вертикального Ьоложени , показанного на фиг.б, Этот угол поворота выражаетс  как Gli, или угол поворота Холла, показанный на фиг.7. Из сравнени  фиг;6 и 7 очевидно, что поворот ли .иий j.UHoro и того же потенциала внутри сло  1 полупроводникового материала изображен как внесенный введением магнитного пол  с направлением, перпег1дикул рным поверхности сло . Приводимое ниже уравнение дает выражение дл  напр жени  Jy между выходным контактом 5 и землей, которое показано на фиг,6 и 7. , .. --.i.ание (1) выводитс  из основriocc :ре.дположени , что сопротивление С.ТОЯ 1 равномерно по его длине и чч о напр жение IJo в любой точке йзл.чатс  функцией рассто ни  вдоль .цлины L (часть - уравнени ) плюс люба  составл юща  сигнала S, котора  вызвана поворотом линий одинакового потенциала, как показано на . фиг.7 (часть 5. уравнени ). Выра жение S в уравнении (1)  вл етс  функцией углового поворота линий одинакового потенциала, показанного на фиг,7, как результат приложени  магнитного пол  плотностью В, нормального относительно поверхности сло  1, Приводимое ниже уравнение дает 5 в выражени х угла поворота0Ь, ширины сло  1 W, плотности магнитного потока 3 и подвижности носителей /CJ . Ре.ша  уравнение (2) относительно S и подставл   эту величину дл  S S уравнение (1), йолучаем «,и„.и,()И.и ,3, Уравнение (3)  вл етс  основным выражением дл  потенциала, который : будет измерен у контакта 5,- расположенного на рассто нии X от заземленного контакта 3 вдоль ою  1 датчика . Оно дает этот потенциа.т как функцию подвижности,О носител , плотности В магнитного потока, фор№) - сло  J. и напр жени  U источника напр жени  4. Выходной сигнал (Jp содержит два выражени . Выражение ij -4  вл етс  напр жением смещени  посто нного тока, которое может быть исключено путем эталонировани  напр жени  контакта 5 относительно UQ через переменное сопротивление, например, показанное на фиг.2. Предпочтит льный способ исключени  напр жени  смещени  показал на сбалансированном сдвоенном Т-образном датчике (фиг.3), который будет описан далее. Выходной сигнал структуры по фиг.3 ()bx..

Величина подвижностиxj , описанна  в насто щем .изобретении,близко подходит величине объемной подвижности сло  1 полупроводникового материала носител . Дл  данного источника напр жени  (Ug) достаточно превысить величину Е критического поперечного пол , котора  будет описана позже, а чувствительность датчика может быть Улучшена путем выбора соотношени  т . и

Можно также показать, что отношение сигнал/шум дл  этого типа конструкции магнитного датчика (составл ет приблизительно в степе .ни 3/2;

Эквивалентные выражени  дл  уравнени  (4) :

Uo WRh3B

(5)

( б)

Uo Hi5ifi

т ( 7)

Т

где W - ширина датчика;

Rh - равно величинер , котора  равна j и  вл етс  посто нной Холла, I - ток источника;

d - дрейфова  скорость носителей зар да;

В - магнитное поле в гауссах; т - толщина сло  1.

Уравнение (7) показывает, что выходное напр жение датчика или напр жение Холла обратно пропорционально толщине сло  1 полупроводникового материала. Таким образом, выполнение сло  1 тонким должно привести к большему напр жению Холла на единицу пол  В.

Некоторые другие выражени  дл  выходного напр жени  датчика в очке контакта 5 следующие:

|о (8)

Uo B wVPJl/D(9)

Уравнение (6) показывает, что напр жение Холла или выходное напр жение пропорционально скорости носителей зар да, а не числу носителей. Уравнение (8) показывает, что выходное напр жение выражаетс  в величинах прикладываемого тока и произведени  подвижности носителей и характеристического сопротивлени  в омах на единицу площади полупроводникового сло  1 в активной зоне.

Согласно (4) выходное напр жение может быть выражено в величинах приложенного напр жени  и подвижности носителей (вместе с плотностью магнитного потока и относительным удлинением устройства). Ни уравнение .(8) , ни уравнение (4) не отражают ограничений величин тока или напр жени , которые могут быть приложены к полупроводниковому устройству. Согласноэтим уравнени м выходное, напр жение на единицу прикладываемо .го пол  мозгно регулировать до лйбо  желаемой величины путем приложени 

достаточного тока или напр жени , пока может быть отведено тепло, создаваемое в полупроводниковом слое 1. Ограничени , накладываемые рассе нием мощности, создаваемой в активной области сло  1, покаэаны-в уравнении (9).

Уравнениа 9) рассматриваетс  как наиболее практическое вьфажение поскольку оно определ ет выходное напр жение или напр жение Холла

0 в выражени х подвижности носител , характеристического сопротивлени  устройства в омах на едииицу площади , ширины W сло  1, и плотности Р энергии, рассеиваемой в провод щей

5 зоне сло  1.

Выходное напр жение пропорционально подвижности носителей зар да (4). Хорошо известно, что когда поперечное электрическое поле Е, приклады0 ваемое к полупроводниковому слою 1, увеличиваетс , подвижность уменьшаетс  .

Большее выходное напр жение Холла получаетс  при увеличении подвижности Увеличение электрического пол  на

5 устройстве уменьшает подвижность и, таким образом, уменьшает выходной сигнал Холла. При использовании кремни  в качестве датчика Холла дл  повышени  .чувствительности были

0 достигнуты наилучгчие выходные напр жени  Холла, имеющие подвижность пор дка 150 см /вольт-сек дл  основного используемого материала. Хорошо известно, что другие вещест5 ва, такие, как арсенид галли , обладают гораздо большими подвижност ми, и они про вл ют подвижности Холла, сравнимые с обычной дрейфовой подвижностью дл  кремни  и германи .

0

Как подвижность Холла, так и подвижность носителей зар да или дрейфова  подвижность уменьшгиотс  с увеличением электрического пол , т.е. нет необходимости использовать большое электрическое поле, поскольку

5 это уменьшает подвижность и ведет к снижению выходного сигнала Холла.

Насколько видно из приведенных выше выводов, существенным критерием  вл етс  скорость носител , а не подвижность . СДнако простое достижение высокой скорости носител  путем приложени  больиюго электрического пол  привело бы к роковым последстви м в отношении рассе ни  энергии. Удельное сопротивление материала, работа примесного уровн  должны быть также прин ты во внимание.

Предпочтительные варианты построени  датчика требуют соблюдени  определенных минимальных критериев. Во-первых, удельное сопротивление полупроводникового материа41а должно составл ть приблизит;ельно 500 ом на единицу площади, чтобы достигалось еще большее удельное ь . Эторо добиваютс  подборо iL-KLui .пластины полупроводникового мал-.-, па, уровнем концентраций и рнзпч -п способами управлени  концектрайиёй примеси, Во-вторнх питающее; Электрическое поледолжно быть пор д .ка 500 в на сантиметр, пока будут достигнуты требуемые скорости носи .телей. Уравнение (б) показывает, что сигнал выходного напр жени  пропор-ционален дрейфовой скорости , Фиг,б показывает вли ние электричес кого пол  или скорости носителей дл  различных полупроводниковых материалов и как дл  дырок;. так и дл  электронов. Очевидно, что при по перечном поле 3x10 в/см скороста . носителей достигает насыщени  и :1г. скорость 10 см/сек, в сущности неза висима от материала и типа носитеп  (дырки или электроны). Из урзз  нк  (6) очевидно, что поперечное поле Зх.10 в/см желательно и что сигнап срабатывани  Холла по существу не зависит от материала и типа носител электроны или дырки„ Чтобы досгичь . этого значени  поперечного пол , следует соблюдать специальные крите в отношен-ии минимального сопротивле провод щей пластинки в омах на един цу площади. Из вышеприведенного рас . суждени  очевидно, что несущественно какой состав полупроводникового материала участвует в получении большого сигнала срабатывани  к какой тип носител  используетс , при ус ловил, что удовлетвор етс  комбина ци  точно определенного сопротивпен в омах на единицу площади и попереч ного электрического пол , BaiscHO знать, что как критерий напр женнос ти дл  электрического пол  воз буж ..дени , так и удельное сопротивление В омах на единицу плош.ади должны удовлетвор тьс , ч.тобы создать работающее устройство, которое не его рало бы при повьиценном рассеивании энергии. Ниже этих критических уров ней работоспособность может быть достигнута, но не будет создано улучшенное устройство,предусмотренно насто щим изобретением. Обратимс  к фиг,4р с помощью которой будет- описан предпочтительный вариант осуществлени  изобретени , выполненного с использованием технологии изготовлени  полевых тран зисторов и управлени  ионным вьГедре нием дл  создани  примесных уровней глубины проникновени . Устройство должно быть выполнено в полупроводни ковом материале, например кремнии, германии или арсениде галли , при уровне примеси, управл емом так, чтобы, число атомов на куби ческий сантиметр находилось в диапа зоне ниже 10 г показанном на фиг, 4 . ло;-; .:i,;i,,i-i;;-a/:-:..:-,t удельное со- i-ifepe SO О ом а а . -ivi:;- по Мб:-. --.ей -.;-:;,: 1ЛОЩа.и1-1 ., ji, 4 показываем вид сверку двук :-аных ионным виэдрением полупро ./iisx областей Ь .7 которые .;-дщий И раздс.:-й«:.-;ый попонаы i-oHHbm лчасто и сссдкнитель  вл етс  элекоску , ко тора;fiHM контактом 8 .дл  датчика. ионты внедренных областей : Э-Г/ТСЯ ЛИффу-зйОгЖЫМИ ПО-ПОС--- (эес.гачиБз ок-.-:.- ,-/ л ле5 :три аскне 3 и 10. Ко.;, акты рас вдоль однсг:; кра  вьедрен; .стей 6.7, чтосы они рзздел ,-гам L саьй-Х внедрзнных й Г ;казанные контакты датчи гьлую фор(5, Е которой .-варенные участки выступают :: i гголупроводникового материала тобы выполнении диффузиононтакта в основной слой полуnpoBCJiHHKOBoro устройства не были вве.-ь:---з ггримеси Дл  прикреплени  эо.и.:-: су по-пезны таюке пр мой физический контакт с гликрозондом низкотемпературное соединение и т.д. Зона внедрени , включающа  небольшой выступ 5, который служит в качестве точки прикреплени  контакта, создаетс  с помощью макси во врем  внедрений ИОНОВ так, чтобы геометри  зоны внедрени  могла быть хорошо кокт1::олнруемой нар ду с положением и -,- U- и присоедин емых контактов 5-6 Заштрихованна  зона в плане на фиг.5  вл етс  внедренной областью 6-7 в слое ГЗ полупроводникового ма:серка-па , например кремни , в которой донорные ионы (такие, как трехвалентный фосфор) были внедрены путем зысокоэнерзгетической бомбардировки „ Контактные зоны 8-10 и контактные п.пощадки 11,12, которые прикреплены к KOHTaKTaj 5 и 6, выполнены обычншл способом маскированной дкффузнг, при котором большее г, ели част во доноров носителей вводитс  в ограниченные зоны материала полупроводниковой подложки . После т.:;о и операции слой 14 двуокиси кремни  наращивают или осаз;;дают на всей поверхности полупровод никового сло  9 с его внедренныгШ oблacт  в 6,7 в слое 14 двуокиси кре-ини  вьйтравливают отверсти  дл  прикреплени  электрических проводникоЕ; а затем на слой двуокиси кремни  через вытравленные отверсти  осаждают алюминиевые контактные полоски, чтобы создать контакты с участками 8-10, а также небольшим участками контакта 5(6), Это лучше видно на фиг.5 котора   вл етс  поперечным сечением по длине устройства, показанного на фиг.5. Области б j.7 внедрени  имплантированы на глубину Х, котора  управл етс 

энергией электрон-вольт ионов, которые бомбардируют поверхность кремкиевого материала сло  13 подложки. Слой 13 имеет концентрацию атомов акцептора приблизительно около 5х10 Диффузионные области 8-10 и контактные площадки 11,12 имеют , концентрацию донорных примесей 2x10 доноров la кубический сантиметр так, что ОНИ  вл ютс  относительно высокопровод щими област ми. Слой 14 двуокиси кремни  перекрывает имплантированную область 6,7 и контакты 8-12, показанные в поперечном сечении , с отверсти ми, вытравленными в соответствующих местах так, что алюминиевые контактные полоски 15-17 могут выступать через отверсти  и осуществл ть физический контакт с различными контактными областми .

Контактные области контактов 5,6 должны быть по возможности более узкими, поскольку чувствительность устройства уменьшаетс  пропорционально отношению ширины контакта к длине канала L. Технические характеристики датчика, выполненного по описанной технологии, должны быт.ь следующими дл  устройства на кремниевой подложке .

Концентраци  .примесей подложки сло  полупроводникового материала приблизительно Sxio акцеп орюв на кубический сантиметр.

Материал ионного внедрени  - трехВсшентный фтор в качестве электронного донора.

Мощность дозы внедрени  - 150 КЭВ энергии внед5 ени , регулируемой, чтобы обеспечить плотность атомов донора приблизительно 2x10 доноров на квадиратный сантиметр.

Глубина внедрени  приблизтельно 1800 Ангстрем.

Удельное сопротивление имплантанта на единицу площади приблизительно 10 ком.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Датчик магнитного потока, имею|ф1й слой провод щего полупроводникового материала, два отдельных контакта пол , прикрепленных к этому слою, выходной контакт, присоединенный к слою между двум  отдельными .контактами пол , и источник напр жени , клеммы которого соединены с контактами пол , отличающийс  тем, что, с целью повышени  его чувствительности , отношение величины приложенного напр жени  к рассто нию между контактами пол  равно по крайней мере 500 вольтам на сантиметр, а электрическое сопротивление между двум  контактами пол  - по крайней мере 500 - омам, где L - длина, W - ширина провод щего сло  между кон-г тактами пол .i

   («.4

   S Xd i 7 S f §

   t«s--i- -

   П o

   I -J-Mv- X

   in

   n

   l

   1

   /