Датчик магнитного потока

 

\

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Советским

Социалистическим рес убпнк

«ц733513 (61} Дополнительный н патенту (22) Заявлено 110576 (21) 2355262/18-21 (23) Приоритет — (32} 14.05.75 (31) 577254 (33} cltlA (51) М. Кл.

G 01 R 33/06

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 317.421 (088.8) Опубликовано 050580. Бюллетень М 17

Дата опубликования описания 080580

Иностранец

Альберт Уотсон Винал (США) (72) Авторы изобретения

Иностранная фирма Интернэйшнл Бизнес Машинз Корпорейшн (США) Pl) Заявитель (54) ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОТОКА

СлоЯ 1 проводящего полупроводнинового материала имеет контакты 2

@ и 3 для приложения напряжения поперечного поля. Источник напряжения соединен, например, с контактом 2, а контакт 3 заземлен. Поэтому между контактами 2 и 3 существует электри® ческое поле Е. Слой 1 имеет оцинаИзобретение относится к полупроводниковым приборам и магнитным датчикам, в частности к датчикам Холла.

Известны датчики Холла, которые обычно создают напряжение считывания или выходное напряжение Холла в лучшем случае порядка 10-20 милли:вольт на кидогаус. Они представляют собой металл-окисел-кремниевый преобразователь магнитного поля высокой чувствительности.

Эти устройства малочувствительны.

Известен датчик магнитного потока, содержащий слой проводящего полупроводникового материала, два контакта поля, выходной контакт и источник напряжения.

У этого устройства тот же недостаток.

С целью повьтаения чувствительности в датчике магнитного потока, имеющем слой-проводящего полупроводникового материала, два отдельных контакта поля, прикрепленных к этому .слою, выходной контакт, присоединенный к слою между двумя отдельными контактами, и источник напряжения клеют которого соединены с контактами поля, отношение величины приложенного напряжения к расстоянию между контактами поля равно по крайней мере 500 вольтам на сантиметр, а электрическое сопротивление между. двумя контактами поля — по крайней мере 500 омам, где Ь вЂ” длина, а W — ширйна проводящего слоя между контактами поля.

На фиг.1 и 2 изображены два варианты выполнения устройства; фиг.3 тО изображает вариант соединения ряда .датчиков, обеспечивающих балансирование напряжения смещения:на фиг .4 и 5 изображены варианты устройства с использованием технологий созда15 ния интегральных схем в виде, подобном тому, что приведен На фиг.31 на фиг.6 показана в схематическом виде работа устройства без прилокения магнитного поля; на фиг.7—

® то же при приложении магнитного полн. ковое сопротивление по всей длине.

Поэтому легко определить злек рн.ческий потенциал в любой узловой точке вдоль него, как. пропорциона:ьный напряжению источника. Выходной контакт 5 показан расположенным в некоторой точке между контактами

2 и 3, Обнаружено, что если проводимость и омах на единицу площади слоя 1 полупроводникового материала удержи1О вать в пределах определенных минимальных диапазонов и если электрическое поле между контактами 2 и 3 сохранять на достаточно высоком уровне,, выходной сигнал напряжения с контакта 5 будет на один или два порядка больше, чем в известных датчиках Холла„ Это значит, что достигаются подвижности носителей, приближающиеся к уровням обьемных подвижностей основного полупроводникового материала. 20

Основной режи работы ус..ройс. ва заключается в том, что Лоре:-1Uîâo отклонение заряженных носителей при-водит к напряжению Холла. Фиг, B показывает в схематической форме основную структуру устройства, в которой источник напряжения 4 подключен к -контактам 2 и 3, которые находятся на противолежащих сторонах слоя 1 полупроводникового материала. Вы:-.одной контакт 5 расположен между : нтактами

2 и 3. Длина Ь слоя до кон.акта 5 измеряется как расстояние Х, а напряжение Uo между контакте 5 и землей является выходным н=..лряжение.",. которое должно контролироваться, Шири - на слоя 1 составляет величину К, электрическое поле Е сушествует, .ежду контактами 2 и 3, Если удельное сопротивление слоя 1 между контактаы-

2 и 3 равномерно, потенциал напряжения4О в любой точке Х по длине Ь !ропорпи--нален его смещению от источника на пряжения 4.Плотность тока ) заря женных носителей B слое 1 такая,,ак показано на фиг.б. Здесь вертикальны= пунктирные линии отмечают линии одинакового потенциала вдоль слоя 1. В этом состоянии к слою 1 не приложено никакого магнитного поля B. Датчик реагирует на перпендикулярно направленные поля, полярностью, которая направлена внутрь или наружу плоскости фиг.б.

На фиг.7 по существу воспроизведена фиг.б, но с,магнитным полем В, направленным в плоскость бумаги, как показано-пересечением Х в части слоя 1 фиг.б. Это поле должно поворачивать линии одинаковых потенциалов так, чтобы их концы смещались на величину 5 от их исходного верти- gQ кального положения, показанного на фиг ° 6, Этот угол поворота выражается как 9 Ь, или угол поворота Холла, показанный на фиг.7. Из сравнения

:=-.ание (1) выводится из основ:.-;о - . Редположения,. что сопротивление .:оя 1 равномерно по его длине и ч".з напряжение )J в любой точке

=.: =тся функцией расстояния вдоль с.,-.:н:::, (часть 2- уравнения) плюс

Ь любая составляющая сигнала S, которая вызвана поворотом линий одинакового потенциала, как показано на фиг, 7 (часть (- уравнения) . Выражение S в уравнении (1) является функци и углового поворота линий одинакового потенциала, показанного на фиг. 7, как результат приложения магнитного поля плотностью В, нормального относительно поверхности слоя 1.

Приводимое ниже уравнение дает 5 в выражениях угла поворота Qh, ширины слоя 1 N, плотности магнитного потока В и подвижности нс ителей 4 (2) Вешая Уравнение (2) oríooèòåëüío

S и подставляя эту величину для S в уравнение (..,,), Получаем

Ь О :О (—,) — Π—, (3) уравнение (3) является основным выражением для потенциала, который

=.óäåò измерен у контакта 5,. Расположенного на расстоянии Х от заземленного контакта 3 вдоль с;-.oÿ 1 датчика. Оно дает proò потенциал как функцию подвижности,О носителя, плотности В магнитного потока, форм — слоя 1 и напряжения 0 источниФ/

L 5 ка напряжения 4. Выходной сигнал () содержит два выражения. Выражение () +- является напряжением смещения постоянного тока, которое может быть исключено путем эталонирования напряжения контакта 5 относительно

U через переменное сопротивление, например, показанное на фиг.2. Предпочтительный способ исключения напряжения смещения показал на сбалансированном сдвоенном Т-образном датчике (фиг.3), который будет описан далее . Выходной сигнал структуры по фиг.3 (о Из (4) фиг.б и (очевидно, что поворот линий . диого и того же потенциала внутри слоя 1 полупроводникового материала изображен как внесенный введением магнитного поля с направлением, перле-.дикулярным поверхности слоя.

Приводимое ниже уравнение дает выражение для напряжения Ц между выходным контактом 5 и землей, которое показано на фиг.б и 7.

733513

Величина подвижности,((, описанная в настоящем .изобретении, близко подходит величине обьемной подвижности слоя 1 полупроводникового материала носителя. Для данного источника напряжения (U< ) достаточно превысить величину Е критического поперечного поля, которая будет описана позже, а чув< твительность датчика может быть Улучшена путем выбора соотношения— (Можно также показать, что отноше нне сигнал/шум для этого типа конструкции магнитного датчика (составляет приблизительно в степе. ни 3/2.

Эквивалентные выражения для уравнения (4): () =ХВЬДВ (5) и =И 7ав (6) о (7) где W — ширина датчика;

Rh — равно величине рР, которая равна — и является постоNQ янной Холла, I — ток источника;

Чс) — дрейфовая скорость носителей заряда;

 — магнитное поле в гауссах; толщина слоя 1.

Уравнение (7) показывает, что выходное напряжение датчика или напряжение Холла обратно пропорционально толщине слоя 1 полупроводникового материала. Таким образом, выполнение слоя 1 тонким должно привести к большему напряжению Холла на единицу поля В.

Некоторые другие выражения для выходного напряжения датчика в точке контакта 5 следующие:

U =В1Ра J (8)

1) =BP w VP5t la (9)

Уравнение (6) показывает, что напряжение Холла или выходное напряжение пропорционально скорости носителей заряда, а не числу носителей.

Уравнение (8) показывает, что выходное напряжение выражается в величинах прикладываемого тока и произведения подвижности носителей и характеристического сопротивления в омах на единицу площади полупроводникового слоя 1 в активной зоне.

Согласно (4) выходное напряжение может быть выражено в величинах приложенного напряжения и подвижности носителей (вместе с плотностью магнитного потока и относительным удлинением устройства) . Ни уравнение .(8), ни уравнение (4) не отражают ограничений величин тока или напряжения, которые могут быть приложены к полупроводниковому устройству.

Согласно этим уравнениям выходное напряжение на единицу прикладываемо.го поля можно регулировать до лЮбой желаемой величины путем приложения

65 дают гораздо большими подвижностями, и они проявляют подвижности Холла, сравнимые с обычной дрейфовой подвижностью для кремния и германия.

Как подвижность Холла, так и подвижность носителей заряда или дрейфовая подвижность уменьшаются с увеличением электрического поля, т.е. нет необходимости использовать большое электрическое поле, поскольку это уменьшает подвижность и ведет к снижению выходного сигнала Холла.

Насколько видно из приведенных выше выводов, существенным критерием является скорость носителя, а не подвижность. (днако простое достижение высокой скорости носителя путем приложения большого электрического поля привело бы к роковым последствиям в отношении рассеяния энергии, Удельное сопротивление материала, работа цримесного уровня должны быть также приняты во внимание.

Предпочтительные варианты построения датчика требуют соблюдения определенных минимальных критериев.

Во-первых, удельное сопротивление полупроводникового материала должно составлять приблизительно 500 ом на единицу площади, чтобы достигалось достаточного тока или напряжения, пока может быть отведено тепло, создаваемое в полупроводниковом слое 1.

Ограничения, накладываемые рассеянием мощности, создаваемой в активной области слоя 1, показаны-в уравнении (9).

Уравнение (9) рассматривается .как наиболее практическое выражение поскольку оно определяет выходное напряжение или напряжение Холла в выражениях подвижности носителя, характеристическоFQ сопротивления устройства в омах на единицу площади, ширины W слоя 1, и плотности

P энергии, рассеиваемой в проводящей зоне слоя 1.

Выходное напряжение пропорционально подвижности Р носителей заряда (4).

Хорошо известно, что когда поперечное электрическое поле Е, приклады20 ваемое к полупроводниковому слою 1, увеличивается, подвижность Ц уменьшается.

Большее выходное напряжение Холла получается при увеличении подвижности д5 Увеличение электрического поля на устройстве уменьшает подвижность и, таким образом, уменьшает выходной сигнал Холла. При использовании кремния в качестве датчика Холла для повышения чувс=вительности были достигнуты наилучшие выходные напряжения Холла, имеющие подвижность порядка 150 см /вольт-сек для осЯ новного используемого материала.

Хорошо известно что другие вещества, такие, как арсенид галлия, облаеще большее удельное акиро !: "= ."

ЭТОГО добиваются подбором топщ пластины полупроводникового ма ла, уровнем концентраций и разли-н:. ми способами управления концентрацией прймеси. Во-вторых питающее, электрическое поле должно быть пор .д

"ря" 5 ,ка 500 в на сантиметр, пока будут достигнуты требуемые скорости носи.телей.

Уравнение (б) показывает,, что сигнал выходного напряжения пропорционален дрейфовой скорости Чд

Фиг.б показывает влияние злеII >:рине:. кого поля или скорости носителей для различных полупроводни ко вых ма " териалов и как для дырок,. так и для 15 электронов. Очевидно,, что при по перечном поле Зх10 в/см ско рос. . . носителей достигает насыщения и скорость 10 см/сек. в сущности нез=-..

7 висима от материала и типа носителя „,О (дырки или электроны) . Из ур::- вн.=ни я (6) очевидно, что поперечное "!Or:э

Зх10 в/см желательно и что сиане :: срабатывания Холла по сущес .ву не зависит от материала и типа. носите. я, электроны или дырки. Чтобы достн.::ь этого значения поперечного поля,, следует соблюдать специальные критерии в отношении минимального сопротивления проводящей пластинки в омах H- едини-цу площади. Из вышеприведенно ": рас.суждения очевидно, что несущественно, какой состав полупроводникоього ма=. териала участвует в получении большого сигнала срабатывания и какой .j 4; носителя лозин, что удовлетворяется комбина ция точно определенного сопротивлени;-в омах на единицу площади и IIoIIepe. ного электрического поля. Важно знать, что как критерий напряженно"-,0 ти для электрического поля возбуж.дения, так и удельное сопротивление в омах на единицу площади должны удовлетворяться, чтобы создать ра-. ботающее устройство, которое не сгорало бы при повышенном рассеивании энергии. Ниже этих критических уровней работоспособность может быть достигнута, но не будет создано улучшенное устройство, предусмотренное настоящим изобретением.

5О

Обратимся к фиг,4, с помощью которой будет описан предпочтительный в ар и ант о суще ст вле ни я и зо бре те— ния, выполненного с использованием технологии изготовления полевых транзисторов и управления ионным вйедрением для создания примесных уровней и глубины проникновения. Устройство должно быть выполнено в полупроводниковом материале, например кремнии, @) германии Или арсениде галлия, при уровне примеси, управляемом так, чтобы. число донорных атомов на кубический сантиметр находилось в диапазоне ниже 10"8, показанном на фиг,4

1 а. ° ..—...,.,"!;i:. а . . - ;ДЮ ЬЬОЕ СОцо ме = я . ере "00 ом на ч, ж .щау ь,, .:, . 4 показывае . вид „âåðõó двух пол, -.нных ионным внедрением полупров :: =.:=-.х областе- . .: 7,. которые н f,-", бщий и раз,д;: .=:.:..;Ай и:.;и: ла1.1 цифр,: ." .. ярый,участ(. и соад&ан нтель нук:...... -ку,- которая являет ая электри-,:-: .. Им контактом 8 для датчика, qpy °::оíцы внедренных областей ока, .::";тая дифф =; !:"-!Hûìè полос-, ка1!:. бе-с::ечив=,:, ::.. :-. екток †;:вские (1.0, К:,т...-; кты 1 т 1"..

;=-,äîëü однот ; края a..==-дрен:..тей б,. 7, ч :: == они p=-зделял. -.,: ...:ам длины 1 са;жх внедренных п(.казанные контакты датчи . =-.:.Ую форму, в кarogo-.: . -.. ар =-нные у част кн выступ ают яз =., =.; полупроводникового материала т,,: ..; гебы ..щ:: выполнении диффузионного: онтакта в основной слой полупрс =:оливкового устройства не были вр = ....:: -. примеси. Для прикрепления зо..«:- ; c " полезны также прямой физический контакт " микрозондом низкотемпературное соединение и т.д.

Зона внедрения, включающая небольшой выступ 5, который служит в качестве точки прикрепления контакта, создается < помощью макси во время внедрения,. онов так, чтобы .:еометрия зоны внедрения могла быть хорошо кон вЂ,1ro:Ii.Ipóåìoé наряду с положением и ш .-.г"-: присоеи ™.яеьих ко: †:: актов г r

Заштрихованная зона в плане на фиг.5 является внедренной областью б,- 7 в слое 1 3 полупроводникового ма epI :àr! à „Hànpê.". :ер кремния, в которой донорные ионы (Tàêèå, как трехвале нт ный фосфор ) были в кедре ны путем высокоэнергетической бомбардировки.

Контактные зоны 8-10 и контактные площадки 11, 12, которые при креплены к контактам 5 и б „выполнены обычным способом ",яаскированной днффу —. -:-". пои котором большее «олнчест во воноpов ноаителей вводится в ограниченные зоны материала полупроводниковой подложки ., 11О1 ле =,: ) о Й о пеоации слой

1 двуокиси кремния наращивают или осаждают на всей поверхности полупровод никового слоя 9 с его внедренными областями 6,.7 в алое 14 двуокиси кремния вытравливают отверстия для прикрепления электрических проводников,. а затем на слой двуокиси кремния через вытравленные отверстия осаждают алюминиевые контактные полоски, чтобы создать контакты с участками 8-10, а также неболыш ми участками контакта

5(6) .

Это лучше видно на фиг,5 которая является поперечным сечением по длине устройства, показанного на фиг.5, Области 6,7 внедрения имплантированы на глубину Хд, которая управляется

733513

Формула изобретения

У

Ф энергией электрон-вольт ионов, которые бомбардируют поверхность кремниевого материала слоя 13 подложки.

Слой 13 имеет концентрацию атомов акцелтора приблизительно около

5х101, Диффузионные области 8-10 и контактные площадки 11,12 имеют концентрацию донорных примесей 2х10 доноров а кубический сантиметр так, что они, являются относительно высокопроводящими областями. Слой 14 двуокиси кремния перекрывает имплантированную область 6,7 и контакты

8-12, показанные в поперечном сечении, с отверстиями, вытравленными в соответствующих местах так, что алюминиевые контактные полоски

15-17 могут выступать через отверстия и осуществлять физический контакт с различными контактными областями °

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

Концентрация, примесей подложки слоя полупроводникового материала приблизительно Sx10 акцеп.оров на кубический сантиметр.

Материал ионного внедрения — тремвалентный фтор в качестве электронного донора.

Мощность дозы внедрения - 150 КЭВ энергии внедрения, регулируемой, чтобы обеспечить плотность атомов донора приблизительно 2х10 доноров на квадратный „сантиметр.

Глубина внедрения приблиэтельно

1800 Ангстрем.

Удельное сопротивление имплантанта на единицу площади приблизительно 10 ком.

Датчик магнитного потока, имеющий слой проводящего полупроводникового материала, два отдельных контакта поля, прикрепленных к этому слою, 29 выходной контакт, присоединенный к слою между двум отдельными,контактами поля, и источник напряжения, .клеюы которого соединены с контактаьм поля, отличающийся тем, что, с целью повышения его чувствительности, отношение величины приложенного напряжения к расстоянию между контактами поля равно по крайней мере 500 вольтам на сантиметр, а электрическое сопротивление между двумя контактами поля — по крайней мере 500 4 омам, где L — длина, W— ширина проводящего слоя между кон-. т акт ами пол я. 1 33513

Составитель И.Клыков

Редактор Б.Федотов Техред A.Ùåïàíñêàÿ Корректор В.Бутяга

Заказ 1778/48 Тираж 1019 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета CCCP по делам изобретений и открытий

11ЗО35, Москва, _#_-35, Раушская наб.,д.4/5

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4