BG67732B1 - Елемент на хол - Google Patents

Abstract

Елементът на Хол съдържа тънка полупроводникова подложка (1) с n-тип примесна проводимост във формата на равностранен триъгълник. На всеки от върховете му е формиран омичен контакт (2, 3 и 4), като в центъра на триъгълника има още един четвърти омичен контакт (5) - централен. Контактът (5) и един който и да е контакт, например (4) от върховете на триъгълната подложка (1) са свързани с токоизточник (6). Останалите два контакта (2 и 3) са диференциалният изход (7) на елемента. Външното магнитно поле (8) е перпендикулярно на равнината на подложката (1).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до елемент на Хол, приложимо в областта на роботиката и биороботиката; мехатрониката; квантовата комуникация; системите за сигурност с изкуствен интелект; 3D роботизираната и минимално инвазивната хирургия, включително телемедицината; слабополевата магнитометрия; позиционирането на обекти в равнината и пространството; безконтактната автоматика на технологични процеси; измерването на ъглови и линейни премествания; мултироторните безпилотни апарати; навигацията; електромобилостроенето в това число ABS модулите и устройствата за позицията отворено-затворено на вратите на превозните средства; енергетиката; военното дело и контратероризма.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е елемент на Хол, съдържащ тънка полупроводникова подложка с n-тип примесна проводимост във формата на диск. Върху периферната й повърхност на равни разстояния един от друг са реализирани три еднакви омични контакта. В центъра на диска има още един четвърти омичен контакт. Този контакт и един който и да е от периферните са свързани с токоизточник, а останалите два периферни контакта са диференциалният изход на елемента на Хол. Външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, [1-5].

Недостатък на този елемент на Хол е ниската магниточувствителност поради отсъствието на гранична повърхност, върху която да се концентрират отклонените от силата на Лоренц подвижни токоносители, за да формират съществени потенциали и изходно напрежение.

Недостатък е също високата стойност на паразитното напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат на неминуема геометрична и електрична асиметрия в разположението на изходните контакти спрямо двата захранващи електрода на елемента. Основна причина за този проблем е технологията - несъвършенства в легирането, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения найчесто от метализацията и корпусирането на чипа, температурни градиенти и флуктуации, миграция на легиращите примеси, стареене и др.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде елемент на Хол, който да е с висока магниточувствителност и нисък/компенсиран офсет.

Тази задача се решава с елемент на Хол, съдържащ тънка полупроводникова подложка с n -тип примесна проводимост във формата на равностранен триъгълник. На всеки от върховете му е формиран омичен контакт, като в центъра на триъгълника има още един четвърти омичен контакт - централен. Централният контакт и един който и да е от върховете на триъгълната подложка са свързани с токоизточник, а останалите два контакта са диференциалният изход на елемента. Външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката.

Предимство на изобретението е повишената магниточувствителност поради наличието на гранична повърхност - страната на триъгълната структура, съдържаща изходните контакти, върху която се концентрират отклонените от силата на Лоренц токоносители, а остроъгълната им форма спомага за повишаване на повърхностната плътност на електроните, в резултат на тези причини потенциалите и напрежението на Хол са високи.

Предимство е още редуцираното/компенсираното паразитно изходно напрежение (офсет) на елемента на Хол поради окъсяване на неминуемите паразитни потенциали, развиващи се върху зоните на изходните контакти чрез протичане на компенсиращи токове, които изравняват в достатъчна степен електрическите условия в отсъствие на магнитно поле.

Предимство е също увеличената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция, поради високата чувствителност и минимизирания офсет, осигуряващи детайлно картографиране на равнинната и пространствената топология на магнитното поле.

Предимство е и повишената измервателна точност на елемента на Хол поради съществено редуцирания паразитен офсет и високата чувствителност.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Елементът на Хол съдържа тънка полупроводникова подложка 1 с n -тип примесна проводимост във формата на равностранен триъгълник. На всеки от върховете му е формиран омичен контакт 2, 3 и 4, като в центъра на триъгълника има още един четвърти централен омичен контакт 5. Централният контакт 5 и един който и да е от върховете на триъгълната подложка 1, например 4, са свързани с токоизточник 6, а останалите два контакта 2 и 3 са диференциалният изход 7 на елемента. Външното магнитно поле 8 е перпендикулярно на равнината на подложката 1.

Действието на елемента на Хол, съгласно изобретението, се основава на генериране на ефекта на Хол с перпендикулярно на полупроводниковата триъгълна подложка 1 магнитно поле В 8. При включване на токоизточника E_S 6, Фигура 1 и в отсъствие на поле 8, В = 0, токовите линии 1₄,₅ стартират от единия омичен контакт 4, и завършват в централния 5. Предвид правилната геометрична форма на структурата 1, т. е. равностранната й триъгълна конфигурация и разположението на контакти 4 и 5, токовите линии 1₄,₅ са криволинейни. В резултат на евентуална асиметрия, на изхода V?(В = 0) ξ V?,з(В = 0) 7, формиран от другите два остроъгълни контакта 2 и 3, възниква паразитно изходно напрежение 7 - офсет, V₇(В = 0) ^ 0. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига чрез окъсяване на неминуемите паразитни потенциали V₂(0) и V3(0). Те се развиват върху зоните на изходните остроъгълни контакти 2 и 3. Чрез протичане на компенсиращи токове, основно по граничната повърхност с контакти 2 и 3, се постига в достатъчна степен изравняване на електрическите условия. Предложеният в решението подход за минимизиране на офсета, в сравнение със сложната динамична компенсация или т. н. токов спининг [6,7], е съществено опростен и е иманентен на сензорния елемент. Крайните резултати и в двата случая са близки. Следователно при минимизиран офсет V7 = 0) ~ 0 измервателната точност на триъгълната конфигурация нараства.

При включване на магнитното поле В 8 перпендикулярно на подложката 1, чрез действието на силите на Лоренц FL,i, FLi = q Vir х В в равнината на структурата 1 възниква странично (латерално) отклонение на нелинейните токови траектории по цялата им дължина, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на токоносителите. Тази девиация е по посока или против часовниковата стрелка. В резултат на Лоренцовото отклонение, в зависимост от посоките на захранващия ток ± 14,5 и на магнитното поле ± В 8, нелинейните траектории едновременно “се изгъват” към областта с контакт 2 или към контакта 3. Отклонението на тока 1₄,₅ в зоната на електрод 2 или на 3 генерира допълнителни електрони, съответно възниква отрицателен Холов потенциал, например - V_Н2 (В) или - V_нз (В). Едновременно в съответната противоположна зона, например при контакт 3, респективно при 2, допълнителният потенциал е положителен + VH₃ (В) или + V_Н2 (В). Следователно върху контактите 2 и 3, формиращи диференциалния изход V?(В) 7 на елемента, възниква напрежение на Хол VН2,з (В) = VH7 (В). В резултат на нестандартната триъгълна топология на подложката 1 и особено остроъгълната форма на контактните зони 2 и 3, едно и също количество допълнителни неравновесни електрони може да създаде различни по стойност повърхностни потенциали. Фактически потенциалът ΔV в изпъкнала остроъгълна област е най-висок, тъй като ефективната му площ S с разположените там товари е най-малка, Δ V ~ Δ Q /S, където ΔQ е допълнителният общ товар, генериран от Лоренцовото отклонение F_L. При това плътността на товарите от силата F_L е твърде неравномерно разпределена при сложни повърхности, каквато е триъгълната структура 1. Ето защо едно и също количество товари Q = const при фиксирани ток 1₄,₅ = const и магнитна индукция В = const ще генерира, в зависимост от формата на повърхността, различен потенциал, т. е. различно напрежение на Хол VH₇ (В) 7. Следователно едновременното наличие на гранична повърхност - страната на структурата 1, съдържаща зони 2 и 3, и остроъгълната им геометрия са причина магниточувствителностга на елемента от Фигура 1 да е значително по-висока, отколкото в известното решение.

Също така високата чувствителност и редуцираният офсет увеличават: а) Резолюцията на елемента на Хол при измерване на минималната магнитна индукция B _min 8. Този важен параметър осигурява по-детайлно картографиране на равнинната и пространствената топология и градиент на магнитното поле grad(B) 8; и б) Измервателна точност на елемента разширява обхвата на приложимост в метрологичните устройства и системи.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналната триъгълна конструкция 1 и остроъгълната форма на изходните контакти 2 и 3 се постига минимизиране на офсета, повишаване на чувствителността и метрологичните характеристики на елемента на Хол.

Технологичното изпълнение на сензорния елемент е на основата на силициеви CMOS или BiCMOS интегрални процеси или микромашининг. В този случай се формира нисколегиран n-тип равностранен триъгълен „джоб” в p-Si пластина. Планарните омични контакти 2, 3, 4 и 5 се реализират с йонна имплантация и са силно легирани n⁺- зони в n-Si „джоб”. Планарните технологии позволяват едновременното осъществяване в общ силициев чип и на обработващата електронна схемотехника на изходното напрежение V₇(В) 7 в зависимост от конкретното приложение. За още по-съществена чувствителност на новия елемент на Хол следва да се използва полупроводника n-GaAs, на който подвижността на електроните при стайна температура Т = 300 К е около 8 пъти по-висока. Конфигурацията от Фигура 1 е работоспособна и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К, което разширява сферата на приложение, особено при контратероризма. За целите на слабополевата магнитометрия елементът на Хол може да се постави между два продълговати концентратора на магнитното поле от ферит или μ -метал.

Claims (1)

1. Елемент на Хол, съдържащ тънка полупроводникова подложка с правилна геометрична форма и n тип примесна проводимост, включваща четири омични контакта, единият от които е централен - формиран е в центъра на подложката и токоизточник, като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, характеризиращ се с това, че подложката (1) е с форма на равностранен триъгълник, на всеки от върховете му има контакт (2), (3) и (4), централният контакт (5) и един който и да е от върховете на триъгълната подложка (1), например (4), са свързани с изводите на токоизточника (6), а останалите два остроъгълни контакта (2) и (3) са диференциалният изход (7) на елемента.