Датчик магнитного потока

%"ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУ Сеоз Советских Соцмвлистнчесммх Респубпнк(51) М. Кл. О 01 В 33/06 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(088.8) Опубликовано 050580. Бюллетень М 17Дата опубликования описания 080580 ИностранецАльберт Уотсон Винал(72) Авторы изобретения Иностранная фирмаИнтернэйшнл Бизнес Машинз Корпооейшнф(54) 1(АТЧИК МА 1 НИНОГО ПОТОКА Слой 1 проводящего полупроводнинового материала имеет контакты 2 М и 3 для приложения напряжения поперечного поля, Источник напряжения соединен, например, с контактом 2, а контакт 3 заземлен, Поэтому между контактами 2 и 3 существуетэлектри 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 повышения 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 клеюед 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 - длина,а Х - ширйна проводящего слоя между контактами поля.На фиг,1 и 2 изображены два варианты выполнения устройства; фиг.3 1 О изображает вариант соединения рядадатчиков, обеспечивающих балансирование напряжения смещения:на фиг.4 и 5 изображены варианты устройства с использованием технологий созда ния интегральных схем в виде, подобном тому, что приведен На фиг,31 на фиг.б показана в схематическом виде работа устройства без прилокения магнитного поля; на фиг.7 - фф то же при приложении магнитногополн.ковоЕ сопротивление по всей длине,Поэтому легко определить злек.(.ри)ческий потенциал влюбой узловойточке вдоль него, как. пропорциона.):ьный напряжению источника. Выходнойконтакт 5 показан расположенным внекоторой точке между контактами2 и 3,Обнаружено, что если проводимостьи омах на единиЦУ площади слоя 1полупроводникового материала удержи 1 Овать в пределах определенных минимальных диапазонов и если электрическоеполе между контактами 2 и 3 сохранятьна достаточно высоком уровне, выходнойсигнал напряжения с контакта 5 будетна один или два порядка больше, чем 1-)в известных датчиках Холла Это значит, что достигаются подвижностиносителей, приближающиеся к уровнямобьемных подвижностей основного полупроводникового материала. 20Основной режи работы ус:ройс.( ва(заключается в том, что Лореь)цовоотклонение заряженных носителей при-.водит к напряжению Холла. Фиг,. В показывает в схематической Форме основнуюструктуру устройства, в которой источник напряжения 4 подключен к контактам 2 и 3, которые находятся напротиволежащих сторонах слоя ( полупроводникового материала. Выходнойконтакт 5 расположен между :.)нтактами302 и 3. Длина Ь слоя до конакта 5измеряется как расстояние Х, а напряжение с между контакте ( 5 иземлей является выходным напряжение.",.которое должно контролирова(:ься, юирв(-35на слоя 1 составляет величину К,электрическое поле Е сушествует междуконтактами 2 и 3, Если удельное сопротивление слоя 1 между онтактам.2 и 3 равномерно, потенциал напряжения 4 Ов любой точке Х по длине (., .(ропорп(с нален его смещению от источника напряжения 4.Плотность тока Э заряженных носителей в слое 1 такая, )(акпоказано на фиг.б. Здесь вертикальныепунктирные линии отмечают линии одинакового потенциала вдоль слоя 1. Вэтом состоянии к слою 1 не приложеноникакого магнитного поля В. Датчикреагирует на перпендикулярно направленные поля полярностью, котораянаправлена внутрь или наружу плоскости фиг.б.На фиг.7 по существу воспроизведена фиг.б, но с,магнитным полем В,направленным в плоскость бумаги, какпоказано пересечением Х в частислоя 1 Фиг.б, Это поле должно поворачивать линии одинаковых потенциалов так, чтобы их концы смещалисьна величину 4 от их исходного верти- щокального положения, показанного наФиг.б,Этот угол поворота выражаетсякак 9 Ь, или угол поворота Холла,показанный на фиг,7. Из сравнения, .:=-.ание (1) выводится из основ,о, в . .релположения,. что сопротивление ;:оя 1 равномерно по его длине и ч" напряжение ).)О в любой точке :,.тся функцией расстояния вдоль ,.ъ-:ы) , (часть . уравнения) плюс(любая составляющая сигнала я, которая вызвана поворотом линий одинакового потенциала, как показано на Фиг.7 (часть ). уравнения). Выражение Я в уравнении (1) является функци=й углового поворота линий одинакового потенциала, показанного на Фиг,7, как результат приложения магнитного поля плотностью В, нормального относительно поверхности слоя 1. Приводимое ниже уравнение лает 5 в выражениях угла пово рота 9 Ь, ширины слоя 1 , плотности магнитного потока В и подвижности нси гелей )(3(2) Решая уравнение (2) относительноЯ и подставляя эту величину для Яв уравнение )., ), олучаем Уравнение (3) является основным выражением для потенциала, который будет измерен у контакта 5,. расположенного на расстоянии Х от заземленного контакта 3 вдоль с)оя 1 датчика. Оно дает этот потенциал как Функцию подвижности,О носителя, плотности В магнитного потока, форкю - слоя 1 и напряжения О источни( 5 ка напряжения 4, Выхолной сигналсодержит лва выражения. Выражение+- является напряжением смещения постоянного тока, которое может быть исключено путем эталонирования напряжения контакта 5 относительно (3 через переменное сопротивление, например, показанное на фиг.2. Предпочтительный способ исключения напряжения смещения показал на сбалансированном сдвоенном Т-образном датчике (Фиг.З), который будет описан далее . Выходной сигнал структуры по Фиг.З О,=О - Ъа,(4) Фиг,б и / очевидно, что поворот линий ,иного и того же потенциала внутри слоя 1 полупроводникового материала изображен как внесенный введением магнитного поля с направлением, перв(е.-:,"икулярным поверхности слоя.Приводимое ниже уравнение дает выражение для напряжения Ц между выходным контактом 5 и землей, которое показано на Фиг.б и 7.40 45 50 55 60 65 Величина подвижности описаннаяв настоящем .изобретении, близко подходит величине обьемной подвижностислоя 1 полупроводникового материаланосителя. Для данного источника напряжения ) ) достаточно превыситьвеличину Е критического поперечногополя, которая будет описана позже,а чув твительность датчика можетбыть улучшена путем выбора соотношения -Можно также показать, что отношенне сигнал/шум для этого типа конструкции магнитного датчика (составляет приблизительнов степе. ни 3/2,Эквивалентные выражения для уравнения (4):(7) где И - шири н а дат чи к а;ВЬ - равно величинерО, котораяравна - и является постоЩянной Холла,1 - ток источника;Чд - дрейфовая скорость носителей заряда;В - магнитное поле в гауссах;Т - толщина слоя 1,Уравнение (7) показывает, чтовыходное напряжение датчика илинапряжение Холла обратно пропорционально толщине слоя 1 полупроводникового материала. Таким образом,выполнение слоя 1 тонким должно привести к большему напряжению Холла наединицу поля В.Некоторые другие выражения длявыходного напряжения датчика в точкеконтакта 5 следующие:=В 1 р ) (8)Ъ В,о юЮйИ (9)Уравнение (б) 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 омахна единицу площади полупроводникового слоя 1 в активной зоне.Согласно (4) выходное напряжениеможет быть выражено в величинахприложенного напряжения и подвижности носителей (вместе с плотностьюмагнитного потока и относительнымудлинением устройства) . Ни уравнение.(8), ни уравнение (4) не отражаютограничений величин тока или напряжения, которые могут быть приложенык полупроводниковому устройству.Согласно этим уравнениям выходноенапряжение на единицу прикладываемо,го поля можно регулировать до лЮбойжелаемой величины путем приложения достаточного тока или напряжения,пока может быть отведено тепло, создаваемое в полупроводниковом слое 1.Ограничения, накладываемые рассеянием мощности, создаваемой в активной5 области слоя 1, показаны-в уравнении.как наиболее практическое выражениепоскольку оно определяет выходноенапряжение или напряжение Холлав выражениях подвижности носителя,характеристического сопротивленияустройства в омах на единицу площади, ширины И слоя 1, и плотностиР энергии, рассеиваемой в проводящей15 зоне слоя 1,Выходное напряжение пропорционально подвижности,О носителей заряда (4),Хорошо известно, что когда поперечное электрическое поле Е, приклады 20 ваемое к полупроводниковому слою 1,увеличивается, подвижностьувеньшается.Большее выходное напряжение Холлаполучается при увеличении подвижностид 5 Увеличение электрического поля наустройстве уменьшает подвижность и,таким образом, уменьшает выходнойсигнал ХоллаПри использовании кремния в качестве датчика Холла дляповышения чувс=вительности былидостигнуты наилучиие выходные напряжения Холла, имеющие подвижностьпорядка 150 см /вольт-сек для осЯновного используемого материала.35 Хорошо извесно, что другие вещества, такие, как арсенид галлия, обладают 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. Однако простое достижение высокой скорости носителя путем приложения большого электрического поля привело бы к роковым последствиям в отношении рассеяния энергии, Удельное сопротивление материала, работа римесного 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 достигалосьеще большее удельное аорот:,.: .ЭТОГО добиВаются подбором топЦ":пластины полупроводникового а .:ла, уровнем концентраций и разли-.н:ми способами управления концентрацией прймеси. Во-вторых питающее,Ьлектрическое поле должно быть пор .д,ка 500 в на сантиметр, пока будутдостигнуты требуемые скорости носи.телей.Уравнение (б) показывает чтосигнал выходного напряжения пропорционален дрейФовой скорости Я дФиг.б показывает влияние электриче.кого поля или скорости носителейдля различных полупроводниковых материалов и как для дырок, так и для ."электронов, Очевидно что при поперечномполе Зх 10В/см скорое.носителей достигает насыщения и ч:;скорость 10 см/сек. в сущности нез: - .,висима от материала и типа носителя 7 О(б) очевидно, что поперечное полеЗх 10 в/см желательно и что сиане:;срабатывания Холла по существу независит от материала и типа носитеня.,электроны или дырки, Чтобы до-,;тн:.ь .этого значения поперечного поля,следует соблюдать специальные критериив отношении минимального сопротивленияпроводящей пластинки в омах на едини-.цу площади. Из вышеприведенно о рассуждения очевидно, что несущественно,какой состав полупроводникоього ма-териала участвует в получении большого сигнала срабатывания и , акой.тип носителя используется При условии, что удовлетворяется комбинация точно определенно го со противне ни;в омах на единицу площади и поперечного электрического поля. Важнознать, что как критерий напряженное ,Оти для электрического поля возбуж.дения, так и удельное сопротивлениев омах на единицу площади должныудовлетворяться, чтобы создать ра"ботающее устройство, которое не ого .рало бы при повышенном рассеиванииэнергии, Ниже этих критических уровней работоспособность может бытьдостигнута, но не будет созданоулучшенное устройство,предусмотренноенастоящим изобретением,5 ООбратимся к фиг,4, с помощьюкоторой будет описан предпочтительНый Вариант осуществления изобретения, выполненного с использованиемтехнологии изготовления полевых транзисторов и управления ионным вйедрением для создания примесных уровней иглубины проникновения. Устройстводолжно быть выполнено в полупроводниковом материале, например кремнии, Огермании или арсениде галлия, приуровне примеси, управляемом так,чтобы. число донорных атомов на кубический сантиметр находилось в диапазоне ниже 10"8, показанном на фиг,4 5а, -.,;,. 1;, а):" "дм 3 ььое ссцо ме. -.е ре0 0 ом н аж ощ а,,:.:,. 4 показь 1 вае. Вид сверху двухпол, -ных ионным ьпэдрением полупров =.дх областев: .:, 7 которыеИ.,-,дщий и разде, лЙ и:.п:ациф: .ярый,участ( и соедин нтельную : ку которая является электричнм контактом д для датчика,Яру овцы внедренных областейока: =."тся дифф =;".".Иными пслос-каыре: ,ециь"-:- пе ток-,.аски,"- 10; Кт.:; кты 11 .авдоль однот; края вьедрен:.тей 67, ч,. они рэзпелял.;ам длины Ь са;жх внедренных:,Ую форму, в кот;.ойаранные участки выступаютиз :.,:.; Полупроводникового материалат.- ,;оаь ир;: выполнении диффузионного контакта в основной слой полупрс:оливкового устройства не былив-; в .:":. Примеси. Для прикрепленияэо .: ,ут:. полезны также прямойфизический контакт а микрозондомниэкотемпературное соединение и т.д.Зона внедрения, включающая небольшойвыступ 5, который служит в качестветочки прикрепления контакта, создается а помощью макси во время внедрения .онов так чтобы .ео 1 етриязоны внедрения могла быть хорошоконтр.ируемой наряду с положениемИ Я-Г. - ПРИСОЕЦ.-ЯЕЬИХ КО-:таКтОБг ггЯаштриховаая зона в плане нафиг,5 является внедренной областьюб,. 7 в слое 13 полупроводникового маериатанапри.ер кремния, в которойдонорные ионы (такие, как трехвалентный Фосфор) были внедрены путемвысокоэнергетической бомбардировки.Контактные зоны 8-10 и контактныеплощадки 11, 12, которые прикрепленык контактам 5 и б выполнены обычнымспособом Иаскированной и фф;пои котором большее олячество доноров ноаителей Вводится в ограниченныезоны материала по упроводниковой подложки Ло 1:1 е -: ой операции слой1двуокиси кремния наращивают или осаидают на всей поверхности полупроводникового слоя 9 с его внедреннымиобластями б,. 7 в алое 14 двуокиси кремния вытравливают отверстия для прикрепления электрических проводникова затем на слой двуокиси кремния через вытравленные отверстия осаждаюталюминиевые контактные полоски, чтобы создать контакты с участками 8-10а также небольими участками контакта5(б),Это лучше видно на фиг.,5 котораяявляется поперечным сечением по длинеустройства, показанного на фиг.5,Области 6,7 внедрения имплантированына глубину Х, которая управляется733513 10 ФоРмула изобретения 2 Ф энергией электрон-вольт ионов, которые бомбардируют поверхность кремниевого материала слоя 13 подложки.Слой 13 имеет концентрацию атомов акцелтора приблизительно около 5 х 101, Д иффузионные области 8-10 и контактные площадки 11,12 имеют концентрацию донорных примесей 2 х 10 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 е Контактные области контактов 5,6 должны быть по возможности более узкими, поскольку чувствительность устройства уменьшается пропорционально отношению ширины контакта к длине канала Ь. Технические характеристики датчика, выполненного по описанной технологии, должны быть следующими для устройства на кремниевой подложке.Концентрация, примесей подложки слоя полупроводникового материала приблизительно 5 х 10 акцеп.оров на кубический сантиметр,Материал ионного внедрения - тремвалентный фтор в качестве электронного донора.Мощность дозы внедрения - 150 КЭВэнергии внедрения, регулируемой,чтобы обеспечить плотность атомовдонора приблизительно 2 х 10 доноровна квадратный сантиметр,Глубина внедрения приблиэтельно1800 Ангстрем.Удельное сопротивление имплантанта на единицу площади приблизительно 10 ком. Датчик магнитного потока, имеющийслой проводящего полупроводниковогоматериала, два отдельных контактаполя, прикрепленных к этому слою, 20 выходной контакт, присоединенный кслою между двум. отдельными, контактами поля, и источник напряжения,клеюы которого соединены с контактаьо поля, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения его чувствительности, отношение величиныприложенного напряжения к расстояниюмежду контактами поля равно по крайней мере 500 вольтам на сантиметр, аэлектрическое сопротивление междудвумя контактами поля - по крайнеймере 500 в " омам, где Ь - длина, М -ширина проводящего слоя между кон-.тактами поля. 1сное иал ППП Патент , г,ужгород, ул,Проектная,4 Заказ 1778/48 ЦНИИПИ Го по дела 11 ЗО 35, ИосТираж дарствен изобрете а, Ж,101огоий и Подкомитета СССРоткрытийская набд.4/5