Датчик магнитного поля
Патент 2238571
Авторы
Классы МПК
Датчик магнитного поля
Реферат
Использование: в полупроводниковых датчиках магнитного поля. Сущность изобретения: датчик магнитного поля включает в себя полупроводниковый элемент датчика с активной областью, в которой в ходе работы формируется сигнал в ответ на магнитное поле. Полупроводниковый элемент находится, по крайней мере частично, в режиме беспримесной проводимости при отсутствии смещения и при нормальной рабочей температуре. Элемент содержит переход, который является смещаемым для уменьшения беспримесной проводимости в активной области и ограничения носителей заряда преимущественно только одним типом в соответствии с насыщенным примесным режимом и включает в себя средство для детектирования сигнала, сформированного в активной области в ответ на приложенное магнитное поле. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения за счет того, что чувствительность к измерению магнитного поля по существу не зависит от температуры датчика. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 16 ил., 3 табл.
Это изобретение относится к датчику магнитного поля из полупроводникового материала.
Перед рассмотрением предшествующего уровня техники будут рассмотрены полупроводниковые свойства. Полупроводниковые датчики магнитного поля действуют на основе электрических эффектов переноса, и, вообще говоря, существует три важных режима проводимости: ненасыщенный примесный, насыщенный примесный и беспримесный (собственный), и они имеют место при низкой, средней и высокой температуре соответственно. В ненасыщенном примесном режиме существующая тепловая энергия недостаточна для ионизации всех примесей, и концентрация носителей зависит от температуры из-за того, что при увеличении температуры ионизируется больше примесей. Носители активизируются из легирующих примесей одного вида, доноров или акцепторов. Проводимость имеет место по существу благодаря одному виду носителей в одной зоне, т.е. электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне, но не обоих сразу. Насыщенный примесный режим является аналогичным, но имеет место при более высоких температурах, когда фактически все примеси становятся ионизованными, но недостаточная тепловая энергия является пригодной для ионизации значительного числа состояний валентной зоны для создания электронно-дырочных пар: здесь концентрация носителей в основном не зависит от температуры.
В беспримесном режиме в проводимость вносит существенный вклад тепловая ионизация состояний валентной зоны, дающая оба типа носителей, т.е. электронно-дырочные пары в дополнение к носителям одного типа, активизированным из примесей. Проводимость существует за счет обоих видов носителей в обоих зонах, т.е. электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Проводимость изменяется с температурой в этом режиме, потому что концентрация электронно-дырочных пар зависит от температуры. Существует зона промежуточного перехода между режимами примесной и беспримесной проводимости, где проводимость частично является примесной и частично является собственной, что приводит к увеличению количества заряженных носителей одного типа по сравнению с другим, т.е. имеются основные носители и неосновные носители, как это происходит, например, в Ge при температуре окружающей среды или близкой к ней, в зависимости от легирования. Начальная температура для примесной проводимости зависит от ширины запрещенной энергетической зоны и концентрации легирующей примеси; она может быть ниже температуры окружающей среды вплоть до 150К для узкозонных полупроводников с низким содержанием легирующей примеси.
Такие материалы, как Si и GaAS с насыщенным примесным режимом при комнатной температуре являются предпочтительными для применения в датчике магнитного поля, несмотря на худшие свойства подвижности, благодаря тому, что эффект Холла или сопротивление в основном не должны зависеть от температуры. По аналогии с Ge, который при достаточной очистке является беспримесным (т.е. проявляет собственную проводимость) при температуре окружающей среды, слабо легированный Si иногда считают ложно беспримесным, так как это имеет место в регулируемых резистивных диодах (PIN диодах), где I область с высоким удельным сопротивлением (“беспримесная”) в действительности является при температуре окружающей среды примесной областью. Самый чистый Si, доступный в настоящее время, имеет примесей на порядок больше, чем требуется для того, чтобы быть беспримесным при температуре окружающей среды.
Датчики магнитного поля, использующие полупроводниковые материалы, известны на протяжении многих лет. Они включают в себя:
(a) магнитно-резистивные датчики, которые изменяют электрическое сопротивление в ответ на приложенное магнитное поле, и
(b) датчики на основе эффекта Холла, откликом которых на магнитное поле служит появление напряжения, пропорционального току датчика и напряженности поля.
Электрическое сопротивление RM магнитно-резистивного датчика с примесным полупроводником в магнитном поле В дается формулой
где - подвижность носителей заряда и R0 - сопротивление датчика в отсуствие магнитного поля.
Магнитно-резистивный вклад в уравнении (1) составляет 2В2R0 и меняется в зависимости от квадратов подвижности и магнитного поля.
Традиционное устройство датчика магнитного поля на основе эффекта Холла состоит из прямоугольного блока из полупроводникового материала, в котором проходит продольный ток в поперечном магнитном поле: это дает напряжение Холла H, перпендикулярное по отношению и к полю, и к току: для примесного полупроводника, расположенного таким образом, VH выражается следующей формулой:
где Еу - электрическое поле (напряженность), возникающая в результате эффекта Холла;
ty - размер полупроводника по толщине, в направлении которой измеряется VH;
n - концентрация носителей заряда;
е - заряд на каждом носителе заряда (отрицательный для электронов, положительный для дырок);
jx - плотность тока в полупроводнике на единицу площади поперечного сечения;
Вz - магнитное поле; и
индексы х, у, z обозначают оси координат х, у и z и направления параметров, к которым они добавлены.
Для примесного режима с одним типом носителей заряда коэффициент Холла RH определяется как
Ситуация является более сложной, чем показывает уравнение (3), если полупроводник находится в беспримесном режиме с двумя типами носителей заряда.
Проводимость материала задается формулой
=nec (4)
где с - подвижность за счет проводимости.
Величина подвижности носителей заряда H, определяемая как холловская подвижность, может быть получена при перемножении уравнений (3) и (4), т.е.
H=RH (5)
Если проводимость является примесной, холловская подвижность отличается от подвижности за счет проводимости на численную величину, которая зависит от механизма рассеяния (релаксации) носителей. Однако холловская подвижность и подвижность за счет проводимости следуют одним и тем же общим принципам и далее будут считаться равными и обозначаться как . Если проводимость является беспримесной (собственной), выражение для коэффициента Холла является более сложным и зависит от магнитного поля.
Для простоты измерений требуется значительное напряжение Холла. Оно может быть достигнуто при использовании высокой плотности тока, которая требует низкого удельного сопротивления для ограничения рассеяния энергии и, следовательно, высокой подвижности носителей. Также для магнитно-резистивных датчиков требуется иметь высокую подвижность носителей для уменьшения сопротивления и, следовательно, затрат энергии и для увеличения чувствительности магнитно-резистивных датчиков по отношению к магнитному полю, которая, как было сказано, изменяется в зависимости от квадрата подвижности согласно уравнению (1). Узкозонные полупроводники, такие как InSb или InAs, наилучшим образом удовлетворяют этому критерию подвижности. InSb имеет электронную подвижность е=8 м2/Вс, примерно в десять раз большую, чем GaAs, для которого подвижность составляет 0,85 м2/Вс, что, в свою очередь, лучше, чем подвижность Si.
Несмотря на отличные свойства подвижности, узкозонные полупроводники в основном не используются в датчиках на основе эффекта Холла или в магнитно-резистивных датчиках, так как они являются беспримесными при температуре окружающей среды. Это проявляется в низких значениях коэффициента Холла и напряжения Холла, а также в изменении напряжения Холла и сопротивления датчика с температурой. Это приходит в противоречие с важным требованием, предъявляемым к датчику магнитного поля, а именно его отклик на магнитное поле должен быть относительно нечувствительным к температурным изменениям. Другое следствие беспримесного режима состоит в том, что эффект Холла является нелинейным по отношению к магнитному полю (магнитно-резистивные свойства изменяются в соответствии с квадратом магнитного поля, причем независимо от режима). Эти проблемы наложили ограничения на использование узкозонных полупроводников в датчиках магнитного поля, действующих при комнатной температуре (290К) или выше: в частности, необходимо, чтобы они были сильно легированными для уменьшения температурной зависимости концентрации носителей (т.е., чтобы сделать их примесными). Это приводит к тому, что теряет смысл цель их использования, потому что это уменьшает подвижность носителей и значительно противодействует осуществлению преимуществ.
Традиционные датчики магнитного поля действуют в насыщенном примесном режиме, где концентрация носителей является в большой степени постоянной, и не происходят нежелательные изменения в сопротивлении и эффекте Холла. Температурная зависимость сопротивления и эффект Холла возникают, однако из-за уменьшения подвижности с ростом температуры, связанного с увеличенным фононным рассеянием и начальным электронно-дырочным рассеянием.
Датчики магнитного поля предшествующего уровня техники были основаны на технологии получения кремния, которая была физически трудоемкой и широко использовалась в транспортной индустрии в жестких внешних условиях. Они используются, например, в бесщеточном приводном электродвигателе компакт-диска (CD), где первостепенным является низкий уровень шума. Однако проблемой является зависимость их чувствительности от температуры и, кроме того, их чувствительность является неадекватной для некоторых применений.
Цель настоящего изобретения - создание альтернативной формы датчика магнитного поля.
В настоящем изобретении предложен датчик магнитного поля, включающий в себя полупроводниковый элемент датчика с активной областью, в которой при работе формируется (генерируется) сигнал в ответ на магнитное поле, отличающийся тем, что элемент датчика:
(a) находится, по меньшей мере частично, в режиме беспримесной (собственной) проводимости при отсутствии смещения и при нормальной рабочей температуре;
(b) включает в себя переход, который является смещаемым для уменьшения беспримесной проводимости в активной области и ограничения носителей заряда преимущественно только одним типом в соответствии с насыщенным примесным режимом, и
(с) включает в себя средство для детектирования (обнаружения) сигнала, сформированного в активной области (14е, 53е) в ответ на приложенное магнитное поле.
Смещаемые р-n переходы такого вида, как описанный выше, известны к настоящему времени в фотодиодах из патента США №5016073.
Данное изобретение обеспечивает преимущество, которое состоит в том, что датчики магнитного поля изготавливаются из материала с высокой подвижностью, до настоящего времени считавшегося неподходящим из-за беспримесной проводимости. Кроме того, в случае датчика на основе эффекта Холла возможно получать улучшенную линейность эффекта Холла как функцию магнитного поля: это является следствием уменьшения беспримесной проводимости, т.е. удаления электронов и дырок в равных количествах и изменения проводимости как в валентной зоне, так и в зоне проводимости по отношению к проводимости по существу в одной зоне за счет только одного носителя. На практике беспримесная проводимость полностью не исключается, но уменьшается до пренебрежимо малых пропорций.
Смещаемый переход может представлять собой исключающий контакт для исключения неосновных носителей из активной области, а может быть гомопереходом между материалами из антимонида индия с разными концентрациями легирующих примесей или гетеропереходом между антимонидом индия и материалом, имеющим большую ширину запрещенной зоны, чем антимонид индия.
Датчик может быть крестообразным датчиком на основе эффекта Холла с центральной областью, от которой простираются четыре ответвления, причем по меньшей мере одно ответвление подсоединяется к исключающему контакту для уменьшения концентрации неосновных носителей в активной области при смещении (подаче напряжения смещения), при этом первая пара ответвлений присоединяется к источнику тока, а вторая пара ответвлений присоединяется к устройству, измеряющему напряжение Холла. Каждое ответвление может подсоединяться к соответствующему исключающему контакту, и каждое ответвление второй пары может иметь сужающуюся часть, расположенную по соседству с центральной областью.
Смещаемый переход может быть экстрагирующим переходом для экстракции неосновных носителей из активной области. Это может быть переход между двумя областями датчика из материалов, имеющих различный тип основных носителей и различную ширину запрещенной зоны, а также переход должен иметь достаточную толщину для предотвращения электронного туннелирования и быть достаточно тонким для того, чтобы избежать релаксирующей деформации в материалах, связанных с ним. Это может быть гетеропереход между InSb n-типа и In1-xAlxSb, где х лежит в диапазоне от 0,1 до 0,5, или от 0,15 до 0,2, или по существу равен 0,15.
Датчик может иметь крестообразную форму с четырьмя ответвлениями и центральной областью и может иметь четыре последовательно осажденных слоя, из которых два соседних слоя имеют один тип основных носителей, и два других соседних слоя имеют другой тип основных носителей, при этом переход может быть гетеропереходом между слоем активной области и другим слоем с другой шириной запрещенной зоны и другим типом основных носителей, причем первая пара ответвлений присоединяется к источнику тока, вторая пара ответвлений (14b, 14d) присоединяется к устройству для измерения напряжения Холла, причем переход является экстрагирующим переходом, смещаемым в обратном направлении, с помощью подсоединения подложки датчика. Четыре последовательно осажденных слоя могут иметь структуру , и вторая пара ответвлений может иметь сужающуюся часть, расположенную по соседству с центральной областью. Вторая пара ответвлений может иметь контактную область, которая примыкает к центральной области и составляет менее 10% ширины каждого ответвления первой пары ответвлений.
Переход может быть расположен для выделения потока тока в направлении, по существу ортогональном отклонению носителей заряда за счет магнитного поля при нормальной работе.
Активная область в датчике может быть р-типа и иметь экстрагирующий смещаемый переход. Он (датчик) может быть снабжен доминантным источником носителей заряда в форме слоя с -легирующими примесями. Он может включать в себя квантовую яму, создающую в нем путь тока. Сам датчик может быть диодной структурой вида - квантовая яма .
Альтернативно, датчик может иметь диодную структуру вида .
В другом своем аспекте настоящее изобретение предлагает способ детектирования магнитного поля, отличающийся тем, что он включает в себя следующие стадии:
а) обеспечение наличия датчика магнитного поля, включающего в себя полупроводниковый элемент датчика с активной областью, в которой в ходе работы формируется (генерируется) сигнал в ответ на магнитное поле, причем элемент датчика находится, по меньшей мере частично, в режиме беспримесной проводимости при нормальной рабочей температуре в случае отсутствия смещения и имеет переход, который является смещаемым для уменьшения беспримесного вклада в проводимость в активной области и ограничения носителей заряда преимущественно только одним типом в соответствии с насыщенным примесным режимом;
b) смещение активной области датчика и перехода для обеспечения потока носителей заряда в активной области и работы датчика в соответствии с насыщенным примесным режимом, и приложение магнитного поля к активной области; и
c) детектирование сигнала, сформированного активной областью, по меньшей мере частично, в ответ на магнитное поле.
Стадия смещения активной области датчика может проводиться при постоянном напряжении, и стадия детектирования сигнала включает в себя детектирование сигнала напряжения.
Датчик может быть датчиком на основе эффекта Холла, причем стадия смещения активной области датчика включает в себя приложение к ней постоянного тока, а стадия детектирования сигнала включает в себя детектирование сигнала тока.
Для того чтобы изобретение было более понятным, теперь исключительно с помощью примера будут описаны его варианты реализации со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематичный вид датчика магнитного поля согласно изобретению в форме устройства на основе эффекта Холла;
фиг.2 представляет собой вид сечения по линии II-II фиг.1;
фиг.3 представляет собой энергетическую зонную структуру датчика фиг.1 и 2;
фиг.4 показывает энергетическую зонную структуру другого датчика согласно изобретению;
фиг.5 иллюстрирует еще один датчик согласно изобретению;
фиг.6 представляет собой сечение по линии VI-VI фиг.5;
фиг.7 представляет собой энергетическую зонную диаграмму для датчика фиг.5;
фиг.8 иллюстрирует центральную область датчика фиг.5;
фиг.9 дает другую геометрию для датчика, показанного на фиг.5;
фиг.10 иллюстрирует вклады в электронную подвижность в материале InSb n-типа при различных условиях работы датчика;
фиг.11 иллюстрирует воздействие изменения температуры на коэффициент Холла RH для равновесного и экстрагированного InSb;
фиг.12 представляет собой иллюстрацию изменения коэффициента Холла RH при изменении плотности магнитного потока как для равновесного, так и для экстрагированного InSb;
фиг.13 представляет собой цепь для датчика фиг.1;
фиг.14 представляет собой цепь для датчика фиг.5;
фиг.15 представляет собой вид сечения датчика магнитного поля согласно изобретению в форме магнитно-резистивного устройства; и
фиг.16 представляет собой вид сечения магнитно-резистивного датчика согласно изобретению, включающего в себя квантовую яму.
Со ссылкой на фиг.1 и 2 показан датчик 10 магнитного поля на основе эффекта Холла согласно данного изобретения, изображенный в плане и в сечении соответственно. Он включает в себя крестообразный слой 12 из антимонида индия (InSb) n-типа с четырьмя ответвлениями с 14а по 14d (общее обозначение - 14), идущими от квадратной центральной области 14е, причем ответвления 14а и 14с являются ортогональными (перпендикулярными) по отношению к ответвлениям 14b и 14d. Периферийные по длине части ответвлений 14 покрыты областями с 16а по 16d (общее обозначение - 16), каждая из которых состоит из слоя InSb n-типа с соответствующим обозначением от 17а до 17d (общее обозначение - 17), на которых располагаются алюминиевые (Аl) электроды с 18а по 18d (общее обозначение 18) соответственно. Верхний индекс “+” в обозначении “n+” означает намного более высокую концентрацию легирующей примеси, чем в слое 12.
Датчик 10 имеет изолирующую подложку 20 из сапфира, кремния с высоким удельным сопротивлением (> 50 Ом/на площадь) или изолирующего GaAs. Как проиллюстрировано, слой 12 InSb прикрепляется к подложке 20 с помощью клея 22, или альтернативно, может быть выращен непосредственно на подложке, как полуизолирующий GaAs. Каждый из четырех электродов 18 создает омический контакт с соответствующим слоем 17 InSb n+-типа и подсоединяется к соответствующему соединительному проводу 19.
Фиг.3 представляет собой диаграмму 30 энергетической зонной структуры для слоев 12 и 17 InSb n-типа и n+-типа соответственно. Она показывает зону 32 проводимости и валентную зону 34 для несмещенного n+n-перехода 36 между слоями 17 и 12, имеющими части 36b и 36d на фиг.2.
Датчик 10 работает следующим образом. Он представляет собой устройство с исключением неосновных носителей, в котором каждый слой 17 n+-типа формирует n+-гомопереход 36 с лежащим под ним слоем 12 n-типа. Как описывалось ранее, исключение носителей известно к настоящему моменту по отношению к фотодиодам из патента США 5016073, выданного Элиоту и Эшли (Elliot и Ashley). Напряжение смещения прикладывается между контактами 18а и 18с на взаимно противоположных ответвлениях 14а и 14с, при этом контакт 18а является положительным по отношению к контакту 18с. Контакты 18b и 18d на взаимно противоположных ответвлениях 14b и 14d являются детекторами напряжения для измерения напряжения Холла. Так как слой 17 n+-типа сильно легирован, он имеет пренебрежимо малую концентрацию неосновных носителей заряда (дырок). Следовательно, он способен принимать основные носители заряда (электроны) от слоя 12, но в основном не способен возвращать к нему неосновные носители (дырки) ввиду их нехватки в нем самом. n+n-Гомопереход 17а/12 или 36, следовательно, является исключающим контактом, т.е. электроны (основные носители) легко проходят от слоя 12 к слою 17а, но только намного меньший ток за счет дырок (неосновных носителей) течет в обратном направлении от слоя 17а к слою 12.
Кроме того, дырки удаляются из слоя 12 на противоположном n+n-гомопереходе между слоями 17с и 12. Впоследствии приложение напряжения смещения между контактами 18а и 18с приводит к тому, что концентрация неосновных носителей в слое 12 становится меньше, потому что дырки удаляются из него, но их количество полностью заново не пополняется. Концентрация основных носителей в этом слое может падать до такого же количества, как концентрация неосновных носителей заряда, полученная исходя из правила электронейтральности; следовательно, количество электронов и дырок уменьшается в равной степени, что уменьшает беспримесный вклад в проводимость слоя 12 (уменьшение примесного вклада будет действовать только на тип основных носителей). Исключенная область, т.е. область, где количество носителей заряда уменьшилось таким образом, проходит через слой 12 в ответвлениях 14b и 14d между слоями 17а и 17с n+-типа.
Электроды из материала Сr-Au могут использоваться вместо А1 электродов 18 за счет осаждения начального слоя Сr на слоях 17 n-типа, а затем на нем - более толстого слоя Au.
Как отмечено с помощью обозначений 39А - 39С, описанные ранее части которых имеют те же самые ссылочные позиции, каждый слой 17 InSb n+-типа может быть заменен слоем 40 материала -типа, или, альтернативно, двумя слоями, слоем 41 -типа и слоем 42 n+-типа; здесь подчеркивание (и позднее также ) обозначает материал с большей шириной запрещенной зоны, чем неподчеркнутый эквивалент; например, фиг.4 представляет собой диаграмму энергетической зонной структуры, показывающую последствия замещения слоя 17 слоем 40 материала -типа из In1-xAlxSb с х=0,15. Зона 43 проводимости и валентная зона 44 показаны для несмещенного -гетероперехода 46, сформированного между слоем 40 -типа и слоем 12 -типа из InSb.
Слой 40 -типа имеет низкую концентрацию неосновных носителей (дырок), потому что большая ширина его запрещенной зоны приводит к тому, что меньшее число электронно-дырочных пар возбуждаются тепловым образом, чем для материала с меньшей шириной запрещенной зоны. Напряжение смещения, приложенное между контактами 18а и 18с, удаляет дырки из слоя 12 n-типа, которые не могут быть замещены из слоя 40 -типа из-за их недостатка в последнем. Аналогичные замечания применимы к слоям 41 и 42.
Теперь со ссылкой на фиг.5 показан другой датчик 50 на основе эффекта Холла согласно настоящему изобретению. Он включает в себя крестообразную структуру 52 из антимонида индия (InSb) n-типа с четырьмя ответвлениями с 53а по 53d, идущими от квадратной центральной области 53е (общее обозначение - 53), причем ответвления 53а и 53с являются ортогональными по отношению к ответвлениям 53b и 53d. Периферийные по длине части ответвлений 53 покрыты соответствующими слоями с 54а по 54d из InSb n+-типа (общее обозначение - 54), на которых расположены алюминиевые (Аl) электроды (не показаны). Размеры ответвлений 53 и центральной области 53е обозначаются параметрами a, b и с, где:
a = длина ответвления 53 + сторона квадрата 53е
b = длина ответвления 53
с=а-b = ширина ответвления 53=стороне квадрата 53е
Фиг.6 представляет собой сечение по линии VI-VI на фиг.5, перпендикулярное к плоскости последней, показывающее структуру слоев датчика 50. Оно изображено без соблюдения масштаба. Датчик 50 содержит слой 64 толщиной 2 мкм из материала InSb p+-типа на подложке 62 из InSb или GaAs. Слой 64 “увенчивается” (т.е. покрыт) крестообразной структурой 52, которая содержит слой 66 толщиной 20 нм из материала In1-xAlхSb р+-типа со значением х в диапазоне от 0,1 до 0,5, предпочтительно от 0,1 до 0,2, например, 0,15. Слой 66 покрыт слоем 53 толщиной 0,5 мкм из InSb n-типа, из которого состоят ответвления и центральная часть 53. Электродные слои 54b и 54d на концах соответствующих ответвлений 53 имеют толщину 0,3 мкм и выполнены из InSb n+-типа. Слои 54 n+-типа, слой 53 n-типа и слой 66 -типа каждый имеют две торцевые поверхности, лежащие в соответствующих плоскостях 74 и 76 и соответствующие торцевым поверхностям ответвлений 53. Торцевые поверхности 74 и 76 примыкают к защитным слоям 78 оксида, сформированным на слое 64 из InSb р+-типа. С другой стороны, вместо защитного слоя оксида может быть использован слой полиамида. Все контактные слои 80 и 82 формируются на каждой области 54 из InSb n+-типа и на примыкающем к ней защитном слое 78 оксида. Подложка 62 имеет пятый омический контакт 84, который выполнен из алюминия.
Фиг.7 описывает зонную структуру датчика 50 в отсутствие какого-либо приложенного смещения и содержит зону 102 проводимости, валентную зону 104 и уровень 106 Ферми. Слои 54 n+-типа формируют четыре n+n-гомоперехода с ответвлениями 53 n-типа на первой границе раздела 108; ответвления n-типа и центральная область 53 формируют -гетеропереход со слоем 66 -типа на второй границе раздела 110; слой 66 -типа формирует -гетеропереход со слоем 64 р+-типа на третьей поверхности раздела 112.
Слой 66 -типа формирует барьер в зоне 102 проводимости, препятствующий потоку электронов из слоя 64 р+-типа к слою 53 n-типа и слою 54 n+-типа.
Датчик 50 действует следующим образом. Полупроводниковые слои 64, 66, 53 и 54 формируют четыре диодные структуры , из которых две показаны в сечении на фиг.6. Слои 64, 66 и 53 и -переход 110 являются общими для всех четырех диодов, но каждый имеет отдельный слой 54, как показано на фиг.5. -Переход 110 смещается в обратном направлении за счет приложения напряжения между электродом подложки 84 и одним из поверхностных электродов 80 или 82. Это оказывает значительное воздействие на экстракцию неосновных носителей из области 53 n-типа.
Принцип экстракции носителей известен из предшествующего уровня техники и описывается, например, в Европейском патенте ЕР 0167305 и патенте США 5016073. Он заключается в удалении неосновных носителей из полупроводниковой области с большей скоростью, чем они замещаются; это происходит при смещенном pn-переходе, к которому диффундируют неосновные носители и на котором они экстрагируются и теряются по отношению к области. Перенос носителей через границу раздела 110 -перехода содержит:
(а) ток проводимости основных носителей, обладающих достаточной тепловой энергией для преодоления потенциального барьера перехода; и
(b) диффузионный ток неосновных носителей, которые диффундируют к переходу и проходят через него благодаря разности потенциалов.
Таким образом, перенос носителей через границы раздела 110, 112 -перехода содержит:
(a) ток проводимости дырок из области 64 p+-типа в область 53 n-типа;
(b) диффузионный ток электронов из области 64 р+-типа в область 53 n-типа, он является очень малым, потому что существует малое количество электронов в областях р+ и ;
(c) ток проводимости электронов из области 53 n-типа в область 64 р+-типа, который также является очень малым; и
(d) диффузионный ток дырок из области 53 n-типа в область 64 р+-типа.
В следующем качественном описании работы пренебрежимо малые электронные токи не учитываются.
В отсутствие смещения электронные и дырочные токи проводимости и диффузионные токи через каждую границу раздела 108, 110, 112 сбалансированы, т.е. датчик 50 находится в равновесии. Напряжение смещения прикладывается поперек каждой из диодных структур таким образом, что -переход на границе раздела 110 смещается в обратном направлении, следовательно, неосновные носители (дырки) в крестообразном слое 53 n-типа, которые диффундируют к границе раздела 110, проходят через нее благодаря разности потенциалов (падению потенциала). В то же время эта разность потенциалов уменьшает поток дырок от слоя 66 к крестообразному слою 53. Следовательно, смещение в обратном направлении существенно уменьшает как ток проводимости электронов от крестообразного слоя 53 к области 64 p+-типа, так и ток проводимости дырок от области 64 р+-типа к крестообразному слою 53. Следовательно, дырки удаляются из области 53 n-типа путем диффузии и не могут быть полностью заменены за счет проводимости из области 64 +-типа из-за потенциального барьера -перехода, смещенного в обратном направлении на границе раздела 110. Как отмечалось ранее, - это эффект экстрагирования неосновных носителей.
Крестообразный слой 53 n-типа принимает пренебрежимо малый ток дырок (неосновных носителей) от слоев 54 n+-типа, потому что концентрация дырок очень мала: это эффект исключения неосновных носителей. Следовательно, дырки в слое 53, диффундирующие к границе раздела 110 и экстрагированные к слою 66 -типа, не могут быть адекватно восполнены из слоев 54 n+-типа, и, следовательно, концентрация неосновных носителей в крестообразном слое 53 уменьшается. Как описано ранее, исходя из необходимости соблюдения электронейтральности концентрация основных носителей должна падать до такого же значения, как концентрация неосновных носителей, т.е. концентрации электронов и дырок падают одинаково в соответствии с уменьшением электронно-дырочных пар: следовательно, это уменьшает беспримесный вклад в проводимость крестообразного слоя 53.
При работе датчика 50 -переход 110 смещается в обратном направлении, и датчик 10 работает с током смещения, протекающим между противоположными парами контактов 16а/16с, при этом положительный контакт является исключающим. Оба датчика, 10 и 50, работают со слоями 12 и 53 n-типа, имеющими концентрации электронно-дырочных пар ниже равновесных; эти слои являются активными областями для измерений магнитного поля, и напряжения Холла детектируются через пары контактных слоев 16b/16d и 54b/54d. В датчике 10 концентрация носителей выше равновесной вблизи отрицательно смещенного контакта из-за аккумуляции носителей.
Фиг.8 представляет собой трехмерное изображение центральной квадратной секции 53е датчика 50 вместе с поддерживающим слоем 64 р+-типа и подложкой 62. Ответвления 53 отмечены пунктирными линиями. Оси декартовой системы координат показаны как 122 для использования при определении направлений магнитного поля и тока. Поверхность центральной квадратной секции 53е, находящаяся в плоскости XY, имеет пары сторон, параллельные осям Х и Y соответственно и перпендикулярные оси Z. Ток через датчик 50 имеет первую и вторую компоненту Iplane и обозначенные стрелками 124а и 124b. Первая компонента тока plane течет параллельно оси Х по существу внутри слоя 53 n-типа и между противоположными ответвлениями 53а и 53с.
Вторая компонента тока течет параллельно оси Z и появляется в результате смещения границы раздела 110 -перехода. Строго говоря, ток не течет внутри области 53е, но состоит из четырех составляющих, протекающих к соответствующим конечным слоям 54 на ответвлениях 53 и включается в чертеж фиг.8 для простоты ссылок. Этот ток возникает из-за тепловой генерации носителей заряда в слое 53 n-типа, и, следовательно, связанный с ней поток дырок по существу является однородным в направлении, параллельном оси Z вниз к слою 66 -типа, в то время как поток электронов течет в боковом направлении и вверх к слоям 54 n+-типа, для электронов, происходящих из крестообразного слоя 53 n-типа и не непосредственно под областями 54 n+-типа.
Напряжение прикладывается между областями 54а и 54с для установления тока Iplane, который соответствует плотности тока jx, текущего параллельно оси X. Еще раз ссылаясь на фиг.6, можно видеть, что датчик 50 подвергается действию электрических полей как экстракции, так и проводимости. Поле экстракции прикладывается между электродом подложки 84 и каждым из четырех конечных слоев с 54а по 54d на соответствующих ответвлениях. Поле проводимости прикладывается между первой парой конечных слоев 54а и 54с на противоположных ответвлениях. Поле экстракции приводит к росту компоненты тока которая является диодным током утечки, параллельным оси Z. Поле проводимости дает компоненту тока Iplane, имеющую плотность тока jx, которая представляет собой преимущественно поток электронов в слое 53 n-типа, потому что граница раздела 110 -перехода действует как преграда для проникновения поля слоя 64 р-типа. Датчик 50 находится в магнитном поле BZ, параллельном оси Z и, следовательно, ортогональном плоскости фиг.5. Ток Iplane и магнитное поле Bz формируют (генерируют) параллельное оси Y напряжение Холла в центральной области 53е, причем напряжение измеряется между второй парой конечных слоев 54b, 54d на соответствующих ответвлениях.
Ток Iplane по существу ограничивается слоем 53 n-типа, и напряжение Холла, соответственно, появляется внутри этого слоя. Однако за счет свойств экстракции и исключения носителей, присущих структурам -типа в датчике 50, беспримесный вклад в концентрацию носителей уменьшается, как описано выше. Проводимость и эффект Холла являются преимущественными благодаря примесной проводимости в насыщенном примесном режиме с концентрацией носителей, в основном не зависящей от температуры. Кроме того, экстракция уменьшает концентрацию носителей, что снижает электронно-дырочное рассеяние и