Полевой датчик Холла на основе структур “кремний-на-изоляторе”

May 17, 2010 by admin Комментировать »

 

Рассматриваются основные характеристики нового типа магниточувствителыюго элемента – полевого датчика Холла (ПДХ) на основе структур “кремний-на-изоляторе”. ПДХ сочетает в себе возможности традиционного МОП транзистора и датчика Холла и обладает очень широким динамическим диапазоном магниточувствителъности (от 10-7 Тл до единиц Тл), повышенной рабочей температурой (до 300°С), низким энергопотреблением (рабочий ток не более 0,4 мА), высокой устойчивостью к воздействию облучения, низким уровнем шумов.

Датчики Холла (ДХ) являются самыми распространенными преобразователями магнитного поля в электрический сигнал, применяемыми в различных областях науки и техники. Принцип их действия основан на эффекте Холла, т.е. на возникновении поперечной разности потенциалов в проводнике, по которому протекает электрический ток, при одновременном воздействии поперечного по отношению к направлению тока магнитного поля. Для изготовления ДХ широко используются полупроводниковые материалы типа Si, GaAs, InSb [1].

При всем разнообразии конструкций ДХ и технологий их изготовления все современные ДХ представляют собой пассивный регистратор внешнего воздействия, не обладающий свойствами внутреннего усиления полезного сигнала. В данной статье рассматривается новый тип преобразователя магнитного поля – полевой датчик Холла на основе структуры “кремний-на-изоляторе” (КНИ ПДХ), обеспечивающий не только регистрацию магнитного сигнала, но и возможности управления величиной сигнала и измерения в режимах цифровой и аналоговой модуляции [2]. Принципиальная возможность создания таких датчиков обсуждалась ранее [3,4].

Как известно, к основным параметрам ДХ относятся:

1. · пороговая магнитная чувствительность;

2. · динамический диапазон магнитной чувствительности;

3. · энергопотребление;

4. · удельная магнитная чувствительность;

5. · диапазон рабочих температур;

6. · остаточное напряжение (Остаточное напряжение – это напряжение на холловских контактах при протекании тока через ДХ при нулевом магнитном поле.) [1].

Из общих физических соображений следует, что переход от кремния к КНИ-структуре позволяет улучшить каждый из этих параметров.

Пороговая магнитная чувствительность ДХ обратно пропорциональна толщине тела магниточувствительного элемента [5]. Кремниевые ДХ обычно формируются по эпитаксиальной технологии, и толщина тела магниточувствительного элемента составляет несколько микрометров [6]. Характерная же толщина рабочего слоя кремния КНИ ПДХ составляет 0,2 мкм. Отсюда следует, что пороговая чувствительность КНИ ПДХ в десятки раз превосходит таковую для кремниевых ДХ.

Рабочий ток ДХ при постоянном напряжении питания определяется омическим сопротивлением тела магниточувствительного элемента. Из-за разницы толщин рабочих областей (~0,2 для КНИ ПДХ и ~5 мкм для кремниевого аналога) сопротивление КНИ ПДХ гораздо больше, чем для кремниевых датчиков Холла. Поэтому при равных напряжениях питания рабочий ток КНИ ПДХ гораздо ниже, чем у кремниевого ДХ. Такое уменьшение тока помимо выигрыша в энергопотреблении обуславливает также уменьшение токового шума ПДХ и увеличение отношения сигнал/шум.

Увеличение пороговой чувствительности КНИ ПДХ приводит к расширению динамического диапазона по сравнению с традиционными кремниевыми ДХ.

Высокая пороговая магнитная чувствительность и малый потребляемый ток определяют гораздо более высокую удельную магнитную чувствительность – крутизну функции преобразования КНИ ПДХ, которая по определению представляет собой отношение величины ЭДС Холла к значениям магнитной индукции и тока через ДХ.

Верхний предел рабочей температуры кремниевых ДХ определяется токами утечки эпитаксиального p-n-перехода, отделяющего тело магниточувствительного элемента от подложки. С увеличением температуры ток утечки быстро возрастает и рабочая температура кремниевых датчиков Холла не превышает 120°С [1]. В КНИ ПДХ тело чувствительного элемента отделено от подложки скрытым диэлектриком, уменьшающим токи утечки в подложку на несколько порядков. В этом заключается причина значительного увеличения рабочей температуры КНИ ПДХ по сравнению с традиционными кремниевыми ДХ (до 300°С).

Величина остаточного напряжения ПДХ, как будет показано ниже, может быть значительно уменьшена благодаря выбору соответствующего потенциала на управляющих затворах.

Помимо отмеченных достоинств КНИ ПДХ способен функционировать в условиях экстремальных радиационных полей. Известно, что ионизирующая радиация генерирует в теле магниточувствительного элемента избыточные носители заряда (электроны и дырки). Число радиационно-индуцированных носителей в рабочем слое кремния КНИ полевого датчика Холла будет, как минимум, во столько же раз меньше, во сколько различаются толщины рабочих областей ДХ и ПДХ. В этом и заключается физическая причина увеличения радиационной стойкости КНИ ПДХ по сравнению с кремниевыми аналогами при импульсных радиационных воздействиях. Ниже будет показано, что КНИ ПДХ обладает также повышенной устойчивостью к стационарному ионизирующему облучению.

Конструкция КНИ ПДХ

КНИ ПДХ изготавливают на основе структур “кремний-на-изоляторе”, т.е. структур, в которых рабочий слой кремния отделен от подложки встроенным диэлектрическим слоем. В кремнии n-типа был сформирован слой скрытого оксида толщиной 400 мкм путем имплантации ионов кислорода и последующего отжига. Отсекаемый им слой приборного кремния имел толщину 0,2 мкм. В нем был сформирован холловский крест из Si полосок длиной 80 и шириной 30 мкм. Для получения омических контактов прилегающие к концам полосок участки длиной 10 мкм были легированы фосфором до уровня 10 см-3. На поверхность креста была нанесена пленка пиролитического SiO2 толщиной 100 нм, поверх которой был осажден Al (верхний затвор). Нижним затвором служило основание подложки с осажденной пленкой Al. Схематически конструкция КНИ ПДХ приведена на рис. 1.

clip_image001

Рис. 1. Конструкция КНИ ПДХ

Из рассмотрения рис. 1 становится очевидным факт, что в КНИ ПДХ объединены возможности традиционного датчика Холла и двухзатворного полевого элемента типа металл-диэлектрик-полупроводник-диэлектрик-металл. Отличие КНИ ПДХ от традиционных кремниевых МДП приборов состоит в том, что одна из управляющих систем образована кремниевой подложкой КНИ структуры, на поверхности которой сформирован металлический электрод.

Основные электрические характеристики КНИ ПДХ

Возможные электрические схемы включения электродов (в процессе измерения) рассматриваемых КНИ магниточувствительных элементов приведены на рис. 2. Холловские электроды, соответствующие рис. 1, не показаны. Все напряжения на схемах измерялись относительно общей точки двухполюсного источника питания (обозначена на схеме символом “земля”). Представленные ниже электрические характеристики КНИ ПДХ получены на основе измерений образов при схеме 3 включения электродов ПДХ (если схема включения электродов ПДХ особым образом не оговаривается).

clip_image002

Рис. 2. Схемы измерения электрических характеристик КНИ ПДХ
при различном включении электродов

Типичные ВАХ и выходные характеристики, т.е. ЭДС Холла в зависимости от напряжения питания, при различных значениях напряжения на управляющих электродах КНИ ПДХ, представлены на рис. 3.

clip_image003

Рис. 3. Типичные вольтамперные и соответствующие
им выходные характеристики КНИ ПДХ
при различных напряжениях на затворах
UЗ

Анализируя представленные зависимости, мы можем сделать вывод о том, что поведение ВАХ КНИ ПДХ является типичным для кремниевых МОП-транзисторов [7]. Также из рис. 3 следует практически важный вывод, что КНИ ПДХ сочетает в себе возможности традиционного МОП-транзистора с функциями датчика Холла. Типичные зависимости ЭДС Холла от напряжения на затворе КНИ ПДХ (при постоянном напряжении питания) приведены на рис. 4.

clip_image005

Рис. 4. Зависимость выходных характеристик
КНИ ПДХ от напряжения на затворе
UЗ (напряжение питания 5 В)

Из рис. 3,4 можно сделать следующий важный вывод, что благодаря наличию вертикальной двухзатворной управляющей системы существует возможность не только пассивной регистрации магнитного поля, но и возможность управления магнитной чувствительностью (подачей различных напряжений на управляющие затворы). Это, как уже было сказано выше, является существенным отличием КНИ ПДХ от традиционных датчиков Холла. Кроме того, очевидно, что выбор схемы включения КНИ ПДХ позволяет использовать рассматриваемый магниточувствительный элемент как нормально открытый или нормально закрытый магнитотранзистор.

Температурные эффекты в КНИ ПДХ

clip_image006

Рис. 5

Зависимости ЭДС Холла от температуры в единицах отношения величины измеряемого параметра к его значению при нормальной температуре приведены на рис. 5. Данная зависимость снята в определенной рабочей точке КНИ ПДХ (напряжение питания 9 В, напряжение на затворах 9 В; см рис. 2), в которой через канал ПДХ протекает рабочий ток, управляемый прилагаемым к затворам напряжением (режим является наиболее значимым с эксплуатационной точки зрения). Из рассмотрения рис. 5 следует вывод, что КНИ ПДХ уверенно функционирует в области таких высоких температур, которые недоступны его кремниевым аналогам.

Динамический диапазон магнитной чувствительности

Рассматриваемый ПДХ обладает более широким диапазоном магнитной чувствительности по сравнению с кремниевыми аналогами. Сказанное иллюстрируется рис. 6, где представлены характерные области магнитной чувствительности традиционных ДХ и КНИ ПДХ. Видно, что КНИ ПДХ обладает не только большим диапазоном магнитной чувствительности, но и более высокой пороговой магнитной чувствительностью.

При этом выходная характеристика ПДХ линейно зависит от напряженности магнитного поля во всем его динамическом диапазоне (рис. 7).

clip_image007

clip_image008

Рис. 6. Диапазоны магнитной чувствительности
КНИ ПДХ и традиционных кремниевых
датчиков Холла

Рис. 7. Зависимость выходной характеристики
КНИ ПДХ от напряженности
внешнего магнитного поля

Полевое управление параметрами КНИ ПДХ

Выше указывалось, что благодаря наличию вертикальной двухзатворной управляющей системы в КНИ ПДХ существует возможность управления его параметрами. Была также показана возможность управления значением ЭДС Холла с помощью изменения напряжения на затворных электродах при изменении схем включения КНИ ПДХ. Проиллюстрируем возможность управления по затвору на примере других характеристик КНИ ПДХ.

На рис. 8 приведены зависимости удельной токовой магнитной чувствительности ПДХ от затворного смещения КНИ ПДХ в различных схемах его включения. Мы видим, что на удельную токовую магнитную чувствительность сильное влияние оказывает как величина напряжения, подаваемого на затворы, так и схема включения КНИ ПДХ.

Благодаря наличию вертикальной двухзатворной управляющей системы существует возможность уменьшения коэффициента температурной зависимости тока канала, а следовательно, и выходного сигнала (т.е. ЭДС Холла) в КНИ ПДХ путем подачи различного по значению напряжения на управляющие электроды (рис. 9). Характер температурной зависимости тока канала от прилагаемого напряжения на управляющие затворы принципиально не зависит от схемы включения ПДХ.

clip_image009

clip_image011

Рис. 8. Зависимости удельной
токовой магнитной
чувствительности КНИ
ПДХ от напряжения на
затворе
UЗ (напряжение
питания 5 В)

Рис. 9. Коэффициент
температурной
зависимости тока канала
КНИ ПДХ как функция
напряжения на
управляющих затворах
(напряжение питания 5 В)

На рис. 10 представлена типичная зависимость остаточного напряжения clip_image013 от напряжения на затворах КНИ ПДХ при напряжении на электродах питания 5 В. Поведение остаточного напряжения от приложенного напряжения UЗ на управляющие электроды (затворы) принципиально не зависит от схемы включения ПДХ. На рисунке видно, что в КНИ ПДХ существует возможность управления значением остаточного напряжения в отсутствии магнитного поля.

clip_image015

Рис. 10. Зависимость остаточного напряжения
на холловских электродах КНИ ПДХ от
напряжения на управляющих затворах

Рис. 11 иллюстрирует возможность управления по затвору значением холловской ЭДС при радиационном облучении КНИ ПДХ clip_image017–квантами изотопа Со60, доза облучения составила 500 Гр. Видно, что на радиационные эффекты в КНИ ПДХ существенным образом оказывает влияние, режим в котором поддерживается ПДХ в процессе облучения (затворное смещение и напряжение питания).

clip_image018

Рис. 11. Выходные характеристики КНИ ПДХ
до (кривая 0) и после облучения
в различных режимах в процессе облучения

Рис. 12 показывает, что выбором определенного напряжения на управляющих затворах КНИ ПДХ в процессе облучения обеспечивается повышенная радиационная устойчивость основной функции ДХ (функции преобразования магнитного сигнала в электрический).

clip_image019

Рис. 12. Выходные характеристики КИИ ПДХ после облучения
различными дозами
clip_image017[1]-квантов изотопа Со60
(в определенной рабочей точке, напряжение
питания 9 В, схема 3 на рис. 2)

Возможности работы ПДХ в модуляционном режиме

Некоторые характеристики ДХ, в частности отношение сигнал/шум, можно улучшить, если использовать модуляционный режим измерений [1]. В традиционных ДХ такой режим можно реализовать, если с помощью электронных ключей промодулировать ток, протекающий через датчик, и включить в измерительную цепь демодулятор. Однако использование электронных ключей вызывает появление трудноустранимых коммутационных помех. В отличие от этого в КНИ ПДХ режим модуляции можно обеспечить, приложив к затворам переменное напряжение.

Ниже приведена зависимость уровня шумов КНИ ПДХ от частоты модуляции напряжения на верхнем затворе (схема включения 2 на рис. 2), измеренной по способу синхронного детектирования. Именно такая вытекающая из особенностей конструкции ПДХ схемная возможность улучшить отношение сигнал/шум во многом определяет очень высокую пороговую чувствительность этих приборов. Основными достоинствами работы КНИ ПДХ в режиме модуляции по сравнению с обычными датчиками Холла являются:

7. · питание датчика постоянным током;

8. · отсутствие “ключей” и соответственно отсутствие коммутационных помех;

9. · реализация максимальной пороговой чувствительности за счет повышения отношения сигнал/шум.

Уровень шумов КНИ ПДХ при различных частотах
модуляции при ширине полосы пропускания 1 Гц

Частота модуляции, Гц

Уровень шумов, мкВ/Гц1/2

1

30

10

10

100

3-4

1000

1-1,2

5000

0,25-0,3

10000

0,13-0,18

100000

0,01-0,013

Основные параметры КНИ ПДХ

Типичные значения параметров КНИ ПДХ приведены ниже.

Размеры кристалла, мм

от 0,5?0,5 до 1,2?1,2

Мапшточувствительная зона, мм

от 0,03?0,03 до 0,5?0,5

Режим работы

Постоянный ток, переменный ток, импульсный

Напряжение питания, В

3-12

Рабочий ток, мА

0,1-0,4 (а)

Магнитная чувствительность, В/Тл

0,3-1,2(а, б)

Удельная магнитная чувствительность, В/А*Тл

1000-10000 (а, б)

Порог чувствительности, нТл

40-100 (г)

Диапазон частот, кГц

0-200

Диапазон температур, °С

270-300 (в)

Температурный коэффициент магнитной чувствительности, %/°С

-0,1 – -0,4 (а)

а – зависит от потенциала затворов;

б – зависит от размеров чувствительной зоны;

в – зависит от типа корпуса;

г – зависит от электрической схемы формирования выходного сигнала.

Сравнение приведенных данных с известными из литературы параметрами полупроводниковых ДХ показывает, что КНИ ПДХ не только превосходит кремниевые аналоги по основным параметрам, но и во многих случаях, превосходит ДХ, выполненные на основе других полупроводниковых материалов, например, по рекордно малым значениям рабочего тока (рис. 13, а) и по расширенному диапазону рабочих температур (рис. 13, б, см. вторую сторону обложки).

clip_image020

Рис. 13. Основные характеристики КНИ ПДХ по сравнению
с традиционными датчиками Холла

Заключение

В статье рассмотрен новый тип магниточувствительного элемента – полевой датчик Холла на основе КНИ структуры, который обладает следующими преимуществами:

· КНИ ПДХ удачно сочетает в себе функции, как традиционного МОП-транзистора, так и датчика Холла;

· КНИ ПДХ способен функционировать в условиях экстремального воздействия физических полей (температурного и радиационного);

· в КНИ ПДХ благодаря наличию вертикальной, двухзатворной управляющей системы существует возможность модуляции полезного сигнала (ЭДС Холла) по затвору;

· по совокупности параметров КНИ ПДХ превосходит все известные традиционные датчики Холла.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты