ПОЛЕВОЙ ДАТЧИК ХОЛЛА
FIELD-EFFECT HALL SENSOR

Изобретение относится к области электронных датчиков магнитного поля и может быть использовано в измерительной технике, системах безопасности, автоматике, робототехнике.
Известны полевые датчики Холла (ПДХ), состоящие из кремниевого токопроводящего канала, из диэлектрического слоя на поверхности кремния, образующего гетерограницу с кремнием, электродов стока и истока к каналу и электрода затвора, расположенного на поверхности диэлектрического слоя (Galaher R., Corak W. A metal - oxide - semiconductor Hall element. Solid State Electronics, 1966, v.9, p.571-580). Боковые поверхности канала имеют два противолежащих омических контакта, между которыми при протекании электрического тока по каналу и при воздействии магнитного поля и возникает сигнал. Принципиальное достоинство ПДХ состоит в объединении в единой конструкции возможностей традиционного элемента Холла, регистрирующего магнитное воздействие, и полевого МДП (метал -диэлектрик - полупроводник) транзистора, усиливающего магнитоиндуцированный электрический сигнал.
Недостаток таких ПДХ заключается в недостаточно высокой рабочей температуре, обусловленной утечками тока из канала в подложку тем большими, чем выше температура. Вследствии этого процесса рабочая температура кремниевых ПДХ не превышает 150-170°С.
Известен принятый за прототип полевой датчик Холла, содержащий диэлектрическую подложку из сапфира с расположенным на ней кремниевым каналом, образующим дополнительную к вышеописанному ПДХ гетерограницу кремний-сапфир и имеющим два омических токоподводящих контакта на концах канала и два омических холловскими противолежащих контакта на боковых поверхностях канала. Причем внешняя поверхность канала покрыта слоем двуокиси кремния, на поверхности которой расположен электрод затвора (Jpri A Electrical properties of Silicon Films on Sapphire using the MOS Hall Technique. Joum. of Applied Physics, 1972, v.43, p.2270-2275). Диэлектрическая подложка препятствует утечкам тока из полупроводникового канала, благодаря чему рабочая температура ПДХ превышает 300°С.
Однако наличие двух гетерограниц на его поверхностях, содержащих высокую концентрацию дефектов, значительно уменьшает подвижность носителей тока в канале по сравнению с подвижностью в объемных монокристаллах кремния и, соответственно, пропорционально уменьшает чувствительность ПДХ к воздействию магнитных полей.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания ПДХ, обладающего высокой магниточувствительностью при повышенных рабочих температурах.
Техническим результатом решения этой задачи является создание высокочувствительного ПДХ с рабочей температурой до 500°С.
Поставленная задача достигается в ПДХ, содержащем диэлектрическую подложку с расположенным на ней полупроводниковым каналом, имеющим два омических токоподводящих контакта на концах канала и два омических холловских противолежащих контакта на боковых поверхностях канала, причем внешняя поверхность канала покрыта слоем диэлектрика, на поверхности которой расположен электрод затвора. Новизна предлагаемого ПДХ заключается в том, что диэлектрическая подложка и слой диэлектрика на поверхности канала выполнены из диэлектрического алмаза, а канал выполнен из полупроводникового алмаза.
14
-1
В такой конструкции ПДХ используется уникальное свойство алмаза, который в зависимости от содержания легирующих примесей может быть как очень хорошим диэлектриком (удельное сопротивление до 10 Ом*см), так и хорошим полупроводником (удельное сопротивление от 10 Ом*см до 100 Ом*см). Предлагаемая трехслойная алмазная конструкция диэлектрик - полупроводник - диэлектрик образована гомогенными слоями, и границы раздела между слоями когерентны. Соответственно, такие границы свободны от дефектов структуры и не оказывают влияния на подвижность носителей тока в канале, и не уменьшают магниточувствительность ПДХ. В то же время существенно большее значение ширины запрещенной зоны алмаза по сравнению с кремнием определяет повышение абсолютного значения рабочей температуры.
На Фиг.1 представлено поперечное сечение заявляемого полевого датчика Холла.
На Фиг.2 представлен вид сверху заявляемого полевого датчика Холла.
x
3
п
На Фиг.3 представлена характерная зависимость величины ЭДС Холла (U - ось ординат) от потенциала на электродах заторов (U-ось абсцисс) при различных напряжениях питания (U).
x
п
3
Таблица иллюстрирует работоспособность ПДХ в широком диапазоне температур Т, измеренных в °С. В таблице U обозначает ЭДС Холла, измеренную в мB, U - напряжение питания в B, U - потенциал заторов в B, В - индукцию магнитного поля в Тл).
Датчик состоит из подложки из диэлектрического алмаза 1 с расположенным на ней полупроводниковым каналом 2 из полупроводникового алмаза с омическими токоподводящими контактами 3 и 4, расположенными на концах канала 2. На боковых поверхностях канала 2 расположены два омическими холловскими контакта 5 и 6. Внешняя поверхность канала 2 покрыта слоем диэлектрика 7, на поверхности которой расположен электрод затвора 8.
ПДХ работает следующим образом. Внешний источник питания подсоединяется к омическим токоподводящим контактам 3 и 4, благодаря чему по полупроводниковому каналу 2, расположенному на подложке из диэлектрического алмаза 1, протекает электрический ток. Под воздействием магнитного поля между омическими контактами 5 и 6 возникает ЭДС, величина которой пропорциональна индукции магнитного поля, току через канала 2, зависящему от напряжения питания между омическими токоподводящими контактами 3 и 4, и потенциалу, приложенному между затвором 8, отделенного от полупроводникового канала 2 слоем диэлектрического алмаза 7, и любым из контактов 3 и 4, подсоединенным к другому источнику питания.
Приведенные примеры подтверждают, но не ограничивают, использование изобретения.
12
Были изготовлены образцы ПДХ на основе алмазной структурой диэлектрик - полупроводник - диэлектрик, выполненной, например, методом эпитаксиального осаждения слоев алмаза на алмазных подложках. В этой структуре удельное сопротивление диэлектрического алмаза составляет порядка 10 Ом*см, а полупроводникового алмаза 10-100 Ом*см. Толщина подложки диэлектрического алмаза составляет 300 мкм, толщина расположенного на подложке слоя полупроводникового алмаза - 5-10 мкм, толщина слоя диэлектрического алмаза - 0,2-0,5 мкм. Контактные области (3-6) и электрод затвора 8 формировались из золота стандартными процессами технологии микроэлектроники (фотолитография, ионное легирование, осаждение металлических пленок).
x
3
п
п
п
3
Фиг.3 иллюстрирует характерную зависимость ЭДС Холла U от потенциала затвора U при двух различных напряжениях питания U (1 - U=9B, 2 - U=5B). Индукция магнитного поля, действовавшая на ПДХ в процессе измерений, составляла 1 Тл. В соответствии со стандартной практикой измерений полевых приборов в микроэлектронике максимальное значение U, используемое при измерениях, равнялась величине напряжения питания.
x
п
3
Таблица иллюстрирует работоспособность типичного ПДХ при различных температурах. В ней представлены значения ЭДС Холла U, измеренные в мВ, при различных значениях напряжения питания U и потенциале затворов U, которые измерялись в B, и различных температурах Т, изменявшейся в диапазоне от 20°С до 500°С. Величина магнитной индукции В, воздействовавшей на ПДХ, составляла 0,5 Тл или 1 Тл.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создавать высокочувствительный ПДХ с рабочей температурой до 500°С.
Полевой датчик Холла
№
Т, °С
U<sub>x</sub>(мВ)
Условия измерения
U<sub>п</sub>(B)
U<sub>3</sub>(в)
В(Тл)
1
20
210
5
5
1
2
100
185
5
5
1
3
300
155
5
5
1
4
500
130
5
5
1
5
20
340
9
9
1
6
500
230
9
9
1
7
20
105
5
5
0,5
8
500
65
5
5
0,5