Полная версия

Главная arrow Техника arrow ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Кремниевые интегральные ДХ

Широкое применение дискретных ДХ все-таки ограничивается высокой стоимостью полупроводниковых материалов класса AmBv. Использование микроэлектронной технологии кремниевых ИС позволяет располагать на едином кристалле как ДХ, так и схемы усиления и обработки сигналов, что компенсирует низкую чувствительность кремния и удешевляет стоимость приборов, вследствие применения групповых методов обработки. Параметры ДХ при этом определяются конструктивно-технологическими особенностями изготовления ИС обработки сигналов.

Как известно, в биполярной технологии изготовления кремниевых ИС существуют два основных типа изоляции элементов: обратно смещенным р- п-переходом и различные виды диэлектрических изоляций, самым

Возникновение поля Холла (а) и результирующее электрическое поле в образце (б)

Рис.1. Возникновение поля Холла (а) и результирующее электрическое поле в образце (б)

Конструкция пленочного арсенид галлиевого датчика Холла ХА1- П

Рис.2. Конструкция пленочного арсенид галлиевого датчика Холла ХА1- П: 1 - эпитаксиальная структура; 2 - гибкая печатная плата на основе поли- имидно-фторопластовой композиции; 3-проводники; 4 - металлический немагнитный корпус

Зависимость напряжения Холла от управляющего тока при В=0,5 Тл и Т=20°С

Рис.З. Зависимость напряжения Холла от управляющего тока при В=0,5 Тл и Т=20°С

Зависимость напряжения Холла Uh от магнитной индукции В при различных толщинах пленки

Рис.4. Зависимость напряжения Холла Uh от магнитной индукции В при различных толщинах пленки

Влияние толщины пленок арсенида индия на полуизолирующем арсениде галлия на холловскую подвижность электронов

Рис.5. Влияние толщины пленок арсенида индия на полуизолирующем арсениде галлия на холловскую подвижность электронов

Датчик Холла ХИС, вид со стороны эпитаксиального слоя

Рис.6. Датчик Холла ХИС, вид со стороны эпитаксиального слоя (Т, X - токовые и холловские выводы соответственно) распространенным из которых является технология кремниевых структур с диэлектрической изоляцией (КСДИ).

Попытки создать кремниевые ДХ по технологии КСДИ ни к чему не привели, так как приборы обладали большими временными и температурными дрейфами остаточного напряжения, связанными с упругими механическими напряжениями, возникающими в КСДИ в процессе их формирования вследствие различия термических коэффициентов расширения окисла, моно- и поликристаллических пленок кремния. При протекании через ДХ даже сравнительно небольших токов происходит его саморазогрев, приводящий к перераспределению упругих механических напряжений, что в свою очередь влечет за собой непредсказуемый дрейф U0 [15]

Влияние упругих механических напряжений на остаточное напряжение ДХ объясняется тем, что кремний является тензочувствительным материалом, а ДХ представляет собой резистивный мост, состоящий из двух пар одинаковых резисторов: между положительным и отрицательным токовыми контактами и холловскими контактами. Изменение сопротивления какого- либо из этих резисторов приводит к разбалансу моста и к дрейфу U().

В ДХ с изоляцией обратно смещенным р-п-переходом также наблюдается незначительный начальный дрейф U0, обусловленный механическими напряжениями, возникающими в процессе технологических операций скрай- бирования, посадки кристаллов в корпус и термокомпрессии. Однако, элек- тротсрмотрснировка при 120° С в течение 48 часов полностью устраняет временной дрейф, сохраняя лишь естественный температурный дрейф не более 10 мкВ/°С при питании ДХ постоянным напряжением. Магнитная чувствительность кремниевых датчиков с изоляцией обратносмещенным р-п - переходом лежит в пределах 50 мкВ/Гс.

Конструктивно-технологические параметры используемых структур соответствуют требованиям тех ИС, которые изготавливаются совместно с ДХ на едином кристалле: удельное сопротивление до 1 Ом см и толщина эпитаксиальной пленки 5 мкм для цифровых схем и р=5 Ом см, Ьэп=12 мкм для линейных ИС. Рассчитаем параметры датчика Холла, изготавливаемого совместно с линейной схемой операционного усилителя. Для этого зададимся следующими параметрами эпитаксиальной пленки: удельное сопротивление 2 Ом-см, толщина эпитаксиальной пленки 12 мкм. Отношение L/W выберем равным 2, напряжение питания ипит=5В, а входной ток датчика 1пит=1,5 мА, следовательно, сопротивление токового плеча датчика должно состав- лятьЗ,ЗкОм. Из формулы (20) чувствительность датчика к магнитному полю можно записать в виде UH/B=R.Hl/d3n=I/qn d,n- Вычисления по этой формуле при подстановке заданных выше параметров дают величину чувствительности порядка 50 мкВ/Гс.

Выберем реальные размеры датчика. Ширина датчика определяется допустимой плотностью тока в ИС (порядка 75 А/см2), тогда, исходя из заданной величины тока питания, W датчика определится по формуле jaon=I/s=I/Wd3n; W=I/d,„ jflon. Вычисления показывают, что ширина датчика должна быть не меньше 170 мкм. Тогда, исходя из выбранного соотношения

L/W=2, длина датчика должна составлять 340 мкм. Причем полученные значения L и W - это расстояния между токовыми и холловскими контактами соответственно.

Рассмотрим топологические особенности интегрального датчика Холла с изоляцией обратносмещенным р-п - переходом. Известно, что при изготовлении ИС на эпитаксиальных структурах, ориентированных в плоскости (111), боковой уход всех диффузионных процессов составляет 0.8 от глубины процесса, т.е. боковой уход разделительной диффузии составит 0.8б=-9мкм. Учитывая этот уход и все фотолитографические и технологические допуски, расстояние от фотолитографического края контактных окон до фотолитографического края изолирующего р-п - перехода должно быть выбрано нс меньше 20 мкм. Исходя из этого и учитывая размеры самих контактных окон, фотолитографические размеры датчика должны составлять 400x220 мкм. Таким образом, мы рассматриваем прямоугольный карман n-типа проводимости, окруженный со всех сторон областями p-типа проводимости, причем токовые и холловскис контакты расположены на определенных расстояниях от края областей p-типа проводимости. При такой конструкции силовые линии тока, исходящие из токовых контактов будут изгибаться по ширине элемента и тем самым приводить к искажению эквипотенциальных поверхностей, что, в свою очередь, приведет к появлению напряжения на холловских контактах при отсутствии магнитного поля. Чтобы избежать этого, карман для рабочей области датчика изготавливается сложной конфигурации (рис. 7). Такая конструкция позволяет исключить краевые эффекты, связанные с искажением линий тока и защитить от них холловские контакты за счет обрыва линий тока на выступах изолирующего р-п - перехода.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики некоторых типов дискретных ДХ, освоенных в промышленности в настоящее время.

Параметры промышленных датчиков Холла Таблица 1

Тип

Материал

n, CM

Размеры,

MM

Толщина d, мкм

Y>

mB/k

дт,°с

ДХК

Si

2-1015

6x3

100

50

-60...+130

ХАГ-ПЗ

GaAs

4-1011

4x2

20

500

-60...+ 130

ХАГЭ-1

GaAs

21015

3x10

10

1000

-60...+ 150

ХИМ

InAs

5-1016

4x2

350

4000

-60...+100

ХИС

InSb

31017

4x3

370

4500

-270...+70

ПХИ312

InSb

61017

3x3

1000

200

i

О

о

Более подробные сведения о технологии изготовления и параметрах ДХ можно получить из [3] и [4].

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>