Кремниевые интегральные ДХ

Широкое применение дискретных ДХ все-таки ограничивается высокой стоимостью полупроводниковых материалов класса A^mB^v. 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 рп-переходом и различные виды диэлектрических изоляций, самым.

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

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

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

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

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

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, монои 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 какоголибо 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 скрайбирования, посадки кристаллов в корпус и термокомпрессии. Однако, электротсрмотрснировка 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, Ь_эп=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=5 В, а входной ток датчика 1пит=1,5 мА, следовательно, сопротивление токового плеча датчика должно составлятьЗ, ЗкОм. Из формулы (20) чувствительность датчика к магнитному полю можно записать в виде UH/B=R.Hl/d_3n⁼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 j_aon⁼I/s=I/Wd_3n; 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_)П=-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 400×220 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.

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