CH658916A5 - Magnetfeldsensor. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Halbleiterelement ist bereits bekannt aus Electronics Letters, Bd 12, Nr. 23,11.11.76, S. 608 bis 611. Der Nachteil dieses Halbleiterbauelements besteht darin,

dass es einen Schwellwert von etwa 0,3 Tesla aufweist, so dass 5 vor allem geringe Magnetflussdichten bzw. Magnetfeldstärken nicht oder nicht genau gemessen werden können.

Aus der Druckschrift EP-Bl 0 001 160 ist ein ringförmiger Magnetfeldsensor bekannt, der aus einem lateralen bipolaren PNPN-Halbleiter besteht. In diesem PNPN-Halbleiter io f liesst ein elektrischer Strom beim Anlegen einer Vorspannung nicht uniform über den gesamten Ringumfang verteilt, sondern nur in einem winkelmässig begrenzten Halbleiterbereich, dem sogenannten Ladungsträgerbezirk («carrier domain»), dank dem Vorhandensein einer starken positiven 15 Rückkopplung und von Material-Inhomogenitäten. Unter dem Einfluss eines senkrecht zur Halbleiterebene wirkenden Magnetfeldes rotiert dieser Ladungsträgerbezirk um die Achse des ringförmigen Magnetfeldsensors mit einer Geschwindigkeit, die von der Magnetflussdichte, und in 20 einer Richtung, die von der Magnetfeldrichtung abhängig ist. Der Magnetfeldsensor erzeugt somit eine Rotationsfrequenz, die der Stärke des Magnetfeldes proportional ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen äusserst empfindlichen ringförmigen Magnetfeldsensor zu erstellen, 25 der nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet, der jedoch eine sehr niedrige Temperaturabhängigkeit und - falls überhaupt - ein niedriges Schwellwert-Magnetfeld besitzt.

Ein solcher verbesserter Magnetfeldsensor eignet sich z.B. zur Verwendung im Eingangskreis eines Elektrizitätszählers 30 zum Messen des elektrischen Stromes, der proportional dem durch diesen Strom erzeugten Magnetfeld ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

35 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 : Einen Querschnitt AA' eines Magnetfeldsensors, 40 Fig. 2 : eine Draufsicht des gleichen Magnetfeldsensors, mit der Schnittebene AA',

Fig. 3 : eine äussere Beschaltung eines Magnetfeldsensors und

Fig. 4: dazugehörige Kennlinien eines Magnetfeldsensors 45 und einer Stromquelle.

Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.

Als Beispiel wird ein lateraler bipolarer NPN-Transistor so beschrieben. Statt mit einem NPN- kann der Magnetfeldsensor jedoch auch mit einem PNP-Transistor aufgebaut werden, unter Berücksichtigung der dann üblichen und aus der Transistortechnik bekannten Umkehrungen der Material-Leitfähigkeitstypen. Der Magnetfeldsensor kann mittels , 55 einer CMOS-Technologie hergestellt werden.

Gemäss der Fig. 1 und der Fig. 2 besteht ein ringförmiger Magnetfeldsensor aus drei in einen Halbleiterkörper 1, z.B. aus P-Silizium, an dessen Oberfläche 2 angeordneten konzentrischen, mit unterschiedlichen Durchmessern verse-60 henen ringförmigen bzw. kreisförmigen und durch Material des Halbleiterkörpers 1 getrennten Halbleiterschichten 3,4 und 5. Die erste innere Halbleiterschicht 3 ist kreisförmig, aus dem gleichen Material-Leitfähigkeitstyp P wie der Halbleiterkörper 1 gefertigt und stark mit Fremdatomen dotiert, 65 d.h. sie besteht aus P+-Material. Die beiden anderen Halbleiterschichten, d.h. die mittlere Halbleiterschicht 4 und die äussere Halbleiterschicht 5, sind ringförmig und bestehen aus gleichem, stark mit Fremdatomen dotiertem Material

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von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie der Halbleiterkörper 1, also aus N+-Material. Ausserhalb der äusseren Halbleiterschicht 5 sind eine Vielzahl kleiner rechteckför-miger Halbleiterschichten 6 aus stark mit Fremdatomen dotiertem Material radial, auf einem einzigen, zu den drei ersten Halbleiterschichten 3 bis 5 konzentrischen Kreis 7 und symmetrisch zu diesem Kreis angeordnet. In der Darstellung der Fig. 2 wurden zugunsten der Übersichtlichkeit nur acht rechteckförmige Halbleiterschichten 6 dargestellt. In der Praxis ist ihre Anzahl möglichst gross zu wählen. Sie können aus P+- oder N+-Material bestehen.

Der Halbleiterkörper 1 ist z.B. ein Substrat aus P-Material oder eine P-Wanne («P-well»), welche in ein Substrat aus N-Material eindiffundiert ist.

Jede der Halbleiterschichten 3 bis 6 besitzt je einen Draht-anschluss, welcher der zeichnerischen Klarheit wegen nur in der Fig. 1 und nicht in der Fig. 2 wiedergegeben ist. Der Drahtanschluss der inneren Halbleiterschicht 3 bildet den Basisanschluss B, derjenige der mittleren Halbleiterschicht 4 den Emitteranschluss E und derjenige der äusseren Halbleiterschicht 5 den Kollektoranschluss C des lateralen, ringförmigen und bipolaren Transistors. Die Drahtanschlüsse der rechteckförmigen Halbleiterschichten 6 stellen Sensor-Elektroden Si, S2.. .Ss dar. Der PVP-Übergang der inneren Halbleiterschicht 3 zum Halbleiterkörper 1 bildet einen niederohmigen ohmischen Kontakt. Der laterale NPN-Tran-sistor setzt sich zusammen aus der mittleren und der äusseren Halbleiterschicht 4 und 5 sowie dem dazwischen liegenden ringförmigen Teil 8 des Halbleiterkörpers 1.

Bestehen die rechteckförmigen Halbleiterschichten 6 aus N+-Material, so bilden die Sensor-Elektroden Si bis Ss zusätzliche Kollektoren zum Auffangen der durch den Emitter des NPN-Transistors emittierten Ladungsträger. Bestehen diese Halbleiterschichten dagegen aus P+-Material, so können die Sensor-Elektroden Si bis Ss eine Erhöhung der Basisspannung von annähernd 0.7V feststellen, und zwar an dem Ort, an dem sich gerade der winkelmässig begrenzte Ladungsträgerbezirk befindet. Die rechteckförmigen Halbleiterschichten 6 arbeiten mithin als Sensoren und stellen die Position des winkelmässig begrenzten Ladungsträgerbezirks im Transistor fest.

Eine verbesserte Variante des bisher beschriebenen Magnetfeldsensors wird dadurch erzielt, dass der ringförmige Teil 8 des Halbleiterkörpers 1, der sich zwischen der mittleren und der äusseren Halbleiterschicht 4 und 5 befindet und der, wie bereits erwähnt, die Basis-Halbleiterschicht des Transistors bildet, mit einem ebenfalls ringförmigen Gate 9 möglichst genau abgedeckt ist (siehe Fig. 1) Dieses Gate 9 ist durch eine Gate-Oxydschicht 10, z.B. aus SÌO2, vom Halbleiterkörper 1 getrennt.

Besteht das Gate 9 aus hochohmigem Material, so ist jede rechteckförmige Halbleiterschicht 6 extern über je einen Gateanschluss G, z.B. radial, mit je einem Punkt des Gate 9 zu verbinden, wobei diese Punkte z.B. auf einer Kreislinie gleichmässig verteilt auf dem ringförmigen Gate 9 angeordnet sind.

Besteht das Gate 9 dagegen aus einem.niederohmigen Material, z.B. aus Metall oder aus stark dotiertem Poly-Sili-zium, so ist das Gate 9 in gleich viele Ringsektoren zu unterteilen, wie rechteckförmige Halbleiterschichten 6 vorhanden sind. Diese Ringsektoren sind alle annähernd gleich gross und isoliert voneinander und besitzen alle die gleiche radiale Mittellinie wie die zugehörige rechteckförmige Halbleiterschicht 6 (Fig. 2). Jeder Ringsektor besitzt seinen eigenen Gateanschluss G, mit dessen Hilfe er extern mit einem Punkt der radial zugehörigen rechteckförmigen Halbleiterschicht 6 verbunden ist.

In der Fig. 3 ist der positive Pol einer Gleichspannungsquelle 11 über eine Stromquelle 12 mit dem Kollektor, d.h. mit dem Anschluss der äusseren Halbleiterschicht 5, und sein negativer Pol direkt mit dem Emitter, d.h. mit dem Anschluss der mittleren Halbleiterschicht 4, des lateralen Transistors verbunden, desgleichen der Emitteranschluss E, d.h. der Anschluss der mittleren Halbleiterschicht 4, mit dem Basisanschluss B, d.h. mit dem Anschluss der inneren Halbleiterschicht 3. Ein Widerstand R stellt den elektrischen Widerstand des Materials der Basishalbleiterschicht dar und liegt zwischen dem Basisanschluss B und der Basis des eigentlichen T ransistors.

Die Kennlinie 13 in der Fig. 4 ist die Ic/UcE-Kennlinie des Transistors samt seinem Spannungsdurchbruchsgebiet. Die Kennlinie 14 der Stromquelle stellt die Lastkennlinie dieses Transistors dar und schneidet dessen Kennlinie 13 in zwei stabilen Arbeitspunkten M und Q, die beide im Spannungsdurchbruchsgebiet liegen unter der Bedingung, dass die Gleichspannung Vdd der Gleichspannungsquelle 11 einen derartigen Wert besitzt, dass die folgenden Ungleichheiten erfüllt sind : BVceo < Vdd < BVcbo.

BVceo bezeichnet dabei bekanntlich die Durchbruchsspannung des Kollektor/Emitter-Überganges des Transistors bei offener Basis («sustaining voltage») und BVcbo diejenige des Kollektor/Basis-Überganges des Transistors bei offenem Emitter. Welcher von beiden Arbeitspunkten M oder Q gültig ist, hängt von den Startbedingungen ab.

Ic stellt den Kollektorstrom und Uce die Kollektor/ Emitterspannung des Transistors dar.

Der Betrieb des Transistors in seinem Spannungsdurchbruchsgebiet führt dazu, dass die Ladungsträger sich im Ladungsträgerbezirk des Transistors mit maximaler Geschwindigkeit fortbewegen und da die Lorenzkraft, die bekanntlich das Fortbewegen des Ladungsträgerbezirks verursacht, dieser Geschwindigkeit proportional ist, wird eine maximale Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors erzielt.

Der ringförmige laterale Transistor kann als eine kontinuierliche Kette vieler Teiltransistoren angesehen werden, deren Ende auf ihren Eingang rückgekoppelt ist. Die Kollektor/Emitter-Strecke aller dieser Teiltransistoren sind parallelgeschaltet und von der einzigen gemeinsamen Stromquelle 12 gespeist. Die Basis eines jeden Teiltransistors wird von der Basis des vorhergehenden Teiltransistors über den Widerstand eines Teils des Basishalbleiter-Materials gesteuert. Die Startbedingung des Magnetfeldsensors kann z.B. festgelegt werden durch das Anlegen einer bestimmten Spannung oder das Einspeisen eines bestimmten Stromes an der Basis eines der Teiltransistoren, z.B. des ersten Teiltransistors über die zugehörige Sensor-Elektrode Si. Der erste Teiltransistor wird dann leitend und bildet eine diskrete Darstellung des winkelmässig begrenzten Ladungsträgerbezirks ; der elektrische Strom fliesst nur lokal und radial vom Emitter des ersten Teiltransistors zu dessen Kollektor. Unter dem Einfluss eines senkrecht zur Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers 1 wirkenden Magnetfeldes und der dadurch erzeugten Lorenzkraft wandert der elektrische Strom in der Kette fort vom leitenden Teiltransistor, der dann sperrt, zum nächsten Teiltransistor, der dann leitend wird. Die Richtung des Abwanderns ist dabei abhängig von der Richtung des Magnetfeldes gemäss dem bekannten Gesetz der Lorenzkraft. Dieses Fortwandern in der Kette entspricht im ringförmigen Transistor der Rotation des Ladungsträgerbezirks um die gemeinsame Achse der ring- bzw. kreisförmigen Halbleiterschichten 3 bis 5.

Die genaue Lage und die Abmessung des Ladungsträgerbezirks ist unter anderem abhängig von der Geometrie des Bauelementes und der Konzentration der Ladungsträger. Eine starke Verbesserung seiner Lokalisierung und Abgrenzung wird durch das Hinzufügen einer Rückkopplung mittels

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eines MOS-Effektes durch Verwendung des Gate 9 erzielt. Jedesmal, wenn eine rechteckförmige Halbleiterschicht 6 einen Stromfluss, d.h. das lokale Vorhandensein eines Ladungsträgerbezirks feststellt, steigt ihre Spannung um mindestens 0.7 V an. Dieses Spannung erscheint somit auch am zugehörigen Punkt bzw. Ringsektor des Gate 9, da dieser mit der rechteckförmigen Halbleiterschicht 6 elektrisch verbunden ist. Die Gatespannung oberhalb des begrenzten Ladungsträgerbezirks steigt somit an, verringert die dort vorhandene Potential-Schwelle («potential barrier») zwischen Kollektor und Emitter und erhöht damit den dortigen Wirkungsgrad des Emitters. Dies hat zur Folge, dass der Spannungsdurchbruch des lokalen Teiltransistors bei einer niedrigeren Spannung erfolgt als im Rest der Struktur, und dass der

Ladungsträgerbezirk schärfer abgegrenzt wird.

Im Gegensatz zu dem im angegebenen Stand der Technik beschriebenen PNPN-Halbleiter wird dem lokalen Aufheizen des Magnetfeldsensors durch die Emitteremission s (positiver Temperaturkoeffizient) entgegenwirkt durch den negativen Temperaturkoeffizient des Spannungsdurchbruches, so dass seine Temperaturempfindlichkeit zuminde-stens teilweise aufgehoben und demnach geringer ist. Ausserdem können die Halbleiterschichten eines Transistors io eher perfekt konzentrisch hergestellt werden als diejenigen eines PNPN-Halbleiters, und schliesslich ist die Geschwindigkeit seiner Ladungsträger und damit auch die Wirkung der Lorenzkraft grösser, so dass seine Empfindlichkeit dementsprechend höher ist.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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1. Magnetfeldsensor, in welchem beim Anliegen einer Vorspannung ein winkelmässig begrenzter Ladungsträgerbezirk vorhanden ist und der aus mehreren in einem Halbleiterkörper an dessen Oberfläche angeordneten konzentrischen, mit unterschiedlichen Durchmessern versehenen, ringförmigen bzw. kreisförmigen und durch Halbleiterkörper-Material getrennten Halbleiterschichten besteht, wobei ausserhalb einer äusseren Halbleiterschicht eine Vielzahl kleiner annähernd rechteckförmiger Halbleiterschichten vorhanden ist, die längs einem einzigen, zu den Halbleiterschichten konzentrischen Kreis und symmetrisch zu diesem angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste kreisförmige innere Halbleiterschicht (3) aus dem gleichen Material-Leitfähigkeitstyp besteht wie der Halbleiterkörper (1) und stark mit Fremdatomen dotiert ist, dass ausserhalb der inneren Halbleiterschicht (3) eine zweite ringförmige mittlere Halbleiterschicht (4) angeordnet ist und aus dem gleichen, stark mit Fremdatomen dotierten Material besteht wie eine dritte ringförmige äussere Halbleiterschicht

(5), die ausserhalb der mittleren Halbleiterschicht (4) angeordnet ist und aus Material vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp besteht wie der Halbleiterkörper (1), und dass die rechteckförmigen Halbleiterschichten (6) radial angeordnet sind und aus stark mit Fremdatomen dotiertem Material bestehen.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Teil (8) des Halbleiterkörpers (1), der sich zwischen der mittleren und der äusseren Halbleiterschicht (4; 5) befindet, durch ein ringförmiges Gate (9) abgedeckt und vom Halbleiterkörper (1) durch eine Gate-Oxydschicht (10) getrennt ist.

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Gate (9) in so viele gleich grosse, voneinander isolierte Ringsektoren unterteilt ist, wie der Magnetfeldsensor rechteckförmige Halbleiterschichten

(6) besitzt, dass die Ringsektoren aus niederohmigem Material bestehen und dass jeder Ringsektor die gleiche radiale Mittellinie besitzt wie die zugehörige rechteckförmige Halbleiterschicht (6).

4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede rechteckförmige Halbleiterschicht (6) radial mit je einem Punkt der ringförmigen Gate (9) bzw. mit einem Punkt seines zugehörigen Ringsektors elektrisch gut verbunden ist.

5. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss der inneren Halbleiterschicht (3) mit demjenigen der mittleren Halbleiterschicht (4) verbunden ist, dass eine Gleichspannungsquelle (11) mit einer Gleichspannung (Vdd) den Anschluss der äusseren Halbleiterschicht (5) über eine Stromquelle (12) speist und dass der Wert der Gleichspannung (Vdd) einerseits grösser ist als der Wert der Durchbruchsspannung (BVceo) des Kollektor/Emitter-Überganges bei offener Basis des ringförmigen Transistors, welcher gebildet ist durch die mittlere und die äussere Halbleiterschicht (4; 5) sowie den dazwischenliegenden Teil (8) des Halbleiterkörpers (1), und anderseits kleiner ist als der Wert der Durchbruchsspannung (BVcbo) des Kollektor/Basis-Überganges bei offenem Emitter dieses ringförmigen Transistors.