BG112532A - Елемент на хол - Google Patents

Abstract

Елементът на Хол съдържа полупроводникова подложка (1) с правоъгълна форма. Върху късите й страни са формирани по един омичен захранващ (2 и 3) контакт, а по средите на дългите страни - по един омичен измервателен (4 и 5) контакт. Захранващите контакти (2 и 3) са свързани с двата извода на токоизточник (6), а измервателните контакти (4 и 5) са диференциалният изход (7) на елемента. Повърхности (8 и 9) на двете дълги страни са с максимално високо омично съпротивление за протичащия приповърхностен ток чрез технологично осъществен релеф и форма, като повърхностите (8 и 9) са симетрични спрямо централната надлъжна ос (10) на подложката (1). Измерваното магнитно поле (11) е перпендикулярно на равнината на подложката (1).

Description

ЕЛЕМЕНТ НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до елемент на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; безконтактната автоматика; микро- и нано-електрониката; позиционирането на обекти в равнината и пространството; навигацията; контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; биомедицинските изследвания; енергетиката; автомобилната промишленост в това число електромобилостроенето; военното дело и сигурността включително контратероризма, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е елемент на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесна проводимост и правоъгълна форма. Върху късите й страни са формирани по един омичен захранващ контакт, а по средите на дългите страни — по един омичен измервателен контакт. Захранващите контакти са свързани с двата извода на токоизточник, а измервателните са диференциалният изход на елемента. Измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, [1 -4].

Недостатък на този елемент на Хол е нелинейността на изходната характеристика в резултат на физически процеси в полупроводниковата подложка, което налага използване на линеаризираща схемна компенсация на изходното напрежение, действаща обаче в ограничен интервал на магнитната индукция и в общия случай е слабо ефективна.

Недостатък е също повишената метрологична грешка при относително по-високите стойности на магнитната индукция, свързана с нелинейността на изходната (предавателната) характеристика на елемента на Хол.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде елемент на Хол с линейна изходна характеристика и минимална метрологична грешка.

Тази задача се решава с елемент на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесна проводимост и правоъгълна форма. Върху късите й страни са формирани по един омичен захранващ контакт, а по средите на дългите страни - по един омичен измервателен контакт. Захранващите контакти са свързани с двата извода на токоизточник, а измервателните контакти са диференциалният изход на елемента. Повърхностите на двете дълги страни са с максимално високо омично съпротивление за протичащия приповърхностен ток чрез технологично осъществен релеф и форма като тези повърхности са симетрични спрямо централната надлъжна ос на подложката. Измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката.

Предимство на изобретението е линейността на изходната (предавателна) характеристика, постигната чрез минимизиране на съответните негативни процеси с помощта на високото повърхностно съпротивление на двете дълги (Холови) страни.

Предимство е също минималната метрологична грешка, поради високата линейност на изходното напрежение на елемента на Хол.

Предимство е още симетрично разширеният обхват на измерваната магнитна индукция спрямо нулевата й стойност за двете посоки на магнитното поле чрез редуцираните повърхностни процеси, водещи до нелинейност.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Елементът на Хол съдържа полупроводникова подложка 1 с примесна проводимост и правоъгълна форма. Върху късите й страни са формирани по един омичен захранващ контакт 2 и 3, а по средите на дългите страни — по един омичен измервателен контакт 4 и 5. Захранващите контакти 2 и 3 са свързани с двата извода на токоизточник 6, а измервателните контакти 4 и 5 са диференциалният изход 7 на елемента. Повърхностите 8 и 9 на двете дълги страни са с максимално високо омично съпротивление за протичащия приповърхностен ток чрез технологично осъществен релеф и форма като повърхности 8 и 9 са симетрични спрямо централната надлъжна ос 10 на подложката 1. Измерваното магнитно поле lie перпендикулярно на равнината на подложката 1.

Действието на елемента на Хол, съгласно изобретението, е следното. При свързване на захранващите контакти 2 и 3 с токоизточника 6, в полупроводниковата подложка 1 с п-тип примесна проводимост протича захранващ ток Iq, състоящ се основно от електрони. Прилагането на измерваното магнитно поле В 11 перпендикулярно на равнината на подложката 1, води до възникване на странично отклоняваща електроните сила на Лоренц F_L = qV_dixB, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е средната дрейфова скорост на токоносителите в подложката 1. До неотдавна в теорията на ефекта на Хол се приемаше, че допълнителните електрони, концентрирани от силата върху съответната дълга (Ходова) страна, например 9 на елемента на Хол от Фигура 1 са също неподвижни както „оголените” от същата сила F_L положителни донорни йони N_D+ на срещуположната повърхност 8. Съгласно изследванията на Руменин, Лозанова и Нойков [5] е открито съществуването на магнитноуправляем повърхностен ток AI_s(Iq,B) върху Холовите повърхности 8 и 9. Той е линейна и нечетна функция от стойността и посоката както на захранващия ток 1₀, така и на магнитното поле В 11. Токът A/_s(/₀^) е фундаментална закономерност, възпроизводима е и не следва от класическата теория на явлението на Хол. Този ток е резултат от иновативната концепция за подвижни, а не статични неравновесни токоносители, генерирани от силата F\ .

Когато силата на Лоренц F_L отклонява електроните от дясната страна 8 към срещуположната 9 с контакт 5, Фигура 1, в дясната приповърхностна зона 8 с контакт 4 остават некомпенсираните електрични товари на положителните донорни йони. Това са легиращите донорни примеси в регулярната кристална решетка на основния полупроводник, най-често силиций. В резултат приповърхностният ток i_s(B,Io) в тази област 8 линейно намалява. Колкото е по силна индукцията В и/или токът Iq, толкова повече донорни слоеве остават без компенсиращите ги електрони. Сумарният положителен товар N₊ определя положителната компонента на полето на Хол + Е$. Следователно така генерираният сумарен положителен товар N₊ в дясната повърхностна зона 8 е правопропорционален на силата F_l, т.е. на произведението IqB.

По различен начин е ситуацията върху лявата гранична повърхност 9 с контакт 5. Силата F_L концентрира (пресира) върху нея допълнителни електрони, сумарният отрицателен товар N. на които съвпада по стойност с този на донорните йони Nd+, N. = Νβ₊. Колкото е по-силен токът Iq и/или индукцията В, толкова е по-висока концентрацията на неравновесните електрони в повърхностния слой 9. Върху тази лява повърхност 9 обаче протича още и следния процес. Повърхност 9 неминуемо съдържа дефекти, включвания в кристалната решетка и други нехомогенности. Те водят до различни разсейващи механизми за движещите се в слоя 9 електрони. До определено ниво на концентрацията на пресираните от силата F_L токоносители (стойност на индукцията Bq), електроните се очаква да „покрият електрически” тези всевъзможни дефекти, т.е. да се „изравни” релефа на кристалните нарушения на повърхността 9. Този механизъм не следва да оказва въздействие върху линейно нарастващата отрицателна компонента на полето на Хол - Eg, т.е. зарядовото генериране на полето на Хол. При това токът Ai_s(B,I₀) също нараства във функция на полето В и тока 1₀. Ето защо до определени (критични) стойности В_о на индукцията, В < В_о при параметър Iq, приповърхностният ток A/_S(B,I_O) не променя линейността на отрицателния Холов потенциал - φ&(-Β) на повърхността 9. В този обхват на индукцията В_о < ± В зависимостите на потенциала φ₉(-Β) и на диференциалното изходно напрежение на елемента на Хол V^(B) = Vy₅(B) са линейни. При по-нататъшното увеличаване на индукцията В > В_о, токът Ai_s(B,Io) започва съществено да нараства. Причината е в електрично неутрализираните в първо приближение приповърхностни дефекти от увеличаващата се концентрация на пресираните от силата F_L електрони. Съпротивлението Rs на слоя 9 с контакт 5 започва да намалява като ръстът на концетрацията на електроните води до още по-съществен ток Ai_s(B,Io). Той създава в приповърхностната област 9 пад на напрежението - Vs(B), |- Vs| ~ Az_s(B,7q)|· Зависимостта на напрежението Vs(B) от магнитната индукция В не се очаква да е линейна, тъй като тя не се формира от линейния ефект на Хол, а е генерирана от специфичната кинетика и разсейване на движещите се електрони. Фактически след критичната стойност на магнитната индукция В_о стартира нелинейността на изходното напрежение Vy₅(B), респективно на съответния Холов потенциал q>g(B) или φ₈ζβ).

На основата на представения по-горе механизъм за произхода на нелинейността, от особено значение е, че критичните индукции В_о за конкретните повърхности в различните образци и структури 1 са различни. Причина е неконтролираното състояние на повърхността 8 или 9 наличието на дефекти, особености в легирането и израстването на полупроводника, нарушения на кристалната структура, евентуални деформации или напрежения и т.н. Колкото е „по-релефна” съответната повърхност 8 или 9, толкова по-висока е стойността на индукцията В_о, за да се осъществи чрез допълнителните електрони нейното „изглаждане”. Фактически по-качествените повърхности 8 или 9 са тази, за която критичните индукции В_о са с ниска стойност, но именно те генерират чрез нарастващия повърхностен ток Xi_s(B,I₀) нелинейност. От гледна точка обаче за сензориката на ефекта на Хол, т.е. същността на настоящото иновативно решение, ключовият извод е че линейност се постига с „релефната” т.е. с „дефектната” повърхности 8 и 9. Следователно при релефни повърхности 8 или 9 стойностите на индукцията В_о са по-високи, което дефинира по-широк линеен диапазон на диференциалното Холово напрежение Формата на повърхностите 8 и 9, освен физическите дефекти на кристалната решетка, също оказва съществено влияние върху повърхностната проводимост и съпротивлението Rs- Показаната на Фигура 1 топология обезпечава високи стойности на параметъра R_s. Когато и двете Холови страни 8 и 9 са с приблизително едно и също релефно състояние, за линейността няма значение от полярността на магнитното поле В 11. При едната и при другата посока на вектора В 11 линейният обхват ще бъде значително разширен и симетричен спрямо нулевата стойност на индукцията В = 0.

Следователно отстраняването на един от най-сериозните недостатъци на елементите на Хол - нелинейността се осъществява чрез Холовите повърхности 8 и 9, когато те съдържат дефекти, релефност и съответна форма. В резултат се създават максимално висока стойности на повърхностното съпротивление R_s за магнитноуправляемия ток Az_s(B,/₀)· Ето защо двете странични (Холови) страни 8 и 9 са с технологично осъществен релеф и форма. За възпроизводимост на резултатите и симетричност на изходната диференциална характеристика Vy₅(B) по отношение на нулевата й стойност, релефността и формата на повърхности 8 и 9 следва да са симетрични спрямо централната надлъжна ос 10 на подложката 1, Фигура 1. Метрологичната точност поради високата линейност на изходното напрежение V^₅(B) е съществено повишена.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че за първи път в сензориката на ефекта на Хол се предлага преодоляване на един от най-сериозните недостатъци - нелинейността чрез технологично въздействие върху двете Холови повърхности за формиране на подходящ релеф и форма с цел максимално високо омичното съпротивление на протичащите повърхностни токове.

Осъществяването на релефни и с подходяща форма повърхности 8 и 9 става предимно с процесите на интегралната микроелектронна технология, тъй като главният индустриален полупроводник е силицият. Също така върху Ходовите страни 8 и 9 може да се реализират гейтове както в MOS транзисторите за модулация на състоянието на повърхностния интерфейс и възпроизводимо управление на кинетичните свойства на повърхностите 8 и 9. Чрез лазерна обработка на страните 8 и 9 също може да се постигне необходимата релефност и форма. Освен класическите ортогонални Холови конфигурации, Фигура 1, новото техническо решение е подходящо за отстраняване на нелинейността при многобройните разновидности CMOS Холови елементи с равнинна магниточувствителност.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Е. Ramsden, Hall effect sensors - Theory and application, 2^nd ed., Elsevier, Netherland, 2006.

[2] R. Popovic, Hall effect devices, 2^nd ed., ser. The Adam Hilger series on sensors, Bristol, IOP Publ. Ltd, 2004.

[3] C. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and application”, J.G. Korvink and O. Paul, eds, W. Andrew Publ., USA, pp. 453-521, 2006.

[4] А.Я. Шихина, Исшлтание магнитньгх материалов и систем, Москва, Знергоатомиздат, стр. 376, 1984 г.

[5] С. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators, A 175 (2012) 45-52.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   ф. Елемент на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесна проводимост и правоъгълна форма, върху късите й страни са формирани по един омичен захранващ контакт, а по средите на дългите страни - по един омичен измервателен контакт, захранващите контакти са свързани с двата извода на токоизточник, а измервателните контакти са диференциалният изход на елемента като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че повърхностите (8) и (9) на двете дълги страни са с максимално високо омично съпротивление за протичащия приповърхностен ток чрез технологично осъществен релеф и форма като повърхностите (8) и (9) са симетрични спрямо централната надлъжна ос (10) на подложката (1).