Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние микроэлектронных датчиков магнитного поля (литературный обзор) 14
1.1. Физические принципы функционирования различных типов МЧЭ 15
1.2. Сопоставление свойств МЧЭ различного типа 20
Глава 2. Объект исследований и методы измерения характеристик 35
2.1. Объект исследования 35
2.2. Аппаратура для измерения электрических характеристик ПДХ КНИ 38
2.3. Исследования электрических режимов включения ПДХ 41
Глава 3. Теоретическое и экспериментальное исследование основных характеристик ПДХ 55
Глава 4. Исследование свойств ПДХ в зависимости от вариаций напряжения питания и потенциалов затворов, величины индукции магнитного поля, от воздействия температуры и ионизирующей радиации
Глава 5. Особенности схемного использования ПДХ, основанные на особенности его МДПДМ конструкции 88
Заключение 97
Приложение 101
Список использованной литературы
- Физические принципы функционирования различных типов МЧЭ
- Сопоставление свойств МЧЭ различного типа
- Аппаратура для измерения электрических характеристик ПДХ КНИ
- Особенности схемного использования ПДХ, основанные на особенности его МДПДМ конструкции
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время в сенсорной технике самое широкое применение нашли датчики магнитного поля, используемые для измерения индукции магнитного поля и бесконтактного определения механических и электрических воздействий (реле, датчики положения, измерители тока и мощности, предохранители и т.п.). Одним из наиболее распространённых типов магниточувствительных элементов являются датчики Холла (ДХ). Принцип их действия основан на эффекте Холла возникновении поперечной разности потенциалов при протекании тока по проводнику, находящемуся в поперечном магнитном поле. Иными словами, изменение магнитного поля при постоянном рабочем токе вызывает пропорциональное изменение электрического сигнала на выходе датчика. Относительная простота изготовления и конструкции датчика Холла поставили его на первое место по сравнению с другими преобразователями магнитного поля. Основными материалами, которые используются при изготовлении рабочего тела датчика, являются кремний (Si), арсенид галлия (GaAs) и индий-сурьма (InSb). Хотя элементы Холла на основе GaAs и InSb по своим физическим характеристикам превосходят элементы на основе кремния, но именно кремний является самым распространенным материалом, используемым для изготовления приборов на основе эффекта Холла. Это обусловлено тем, что современная микроэлектроника является, по сути дела, кремниевой. Поэтому использование ее базовых технологий обеспечивает возможность наряду с массовым изготовлением дискретных кремниевых элементов Холла осуществить их интеграцию в один кристалл с элементами обработки магнитоиндуцированного сигнала, такими как усилители, компараторы, стабилизаторы питания и т.д. В настоящее время мировой объем производства дискретных кремниевых элементов Холла и интегральных схем (ИС) на их основе исчисляется миллиардами штук в год. Однако холловские элементы на основе кремния практически достигли своих предельных параметров, таких как пороговая чувствительность, рабочая температура, диапазон рабочих частот, радиационная стойкость. В тоже время развитие сенсорной техники настоятельно требует повышения характеристик магнитосенсоров (в том числе датчиков Холла). Решение этой проблемы может быть найдено путём использования для создания датчиков Холла нового материала микроэлектроники, а именно структур «кремний на изоляторе» (КНИ), представляющих систему, в которой тонкий рабочий слой кремния отделён от подложки тонким слоем, как правило, диоксида кремния (SiO2). КНИ технология изготовления микроэлектронных приборов рассматривается экспертами в России и за рубежом как магистральное направление развития микроэлектроники на ближайшие 10 15 лет. В последние годы получены убедительные свидетельства достоинств этой технологии, позволившей создать целый ряд интегральных схем различного функционального назначения, существенно превосходящих по своим характеристикам их кремниевые аналоги. Среди этих приборов – микропроцессоры гигагерцового диапазона, ИС памяти, силовые транзисторы и др. В то же время КНИ технология до сих пор, по существу, не нашла должного применения в разработке и производстве датчиков физических воздействий (в том числе магнитного поля), хотя ее потенциальные достоинства в этой области не вызывают сомнений. Из общих физических соображений следует, что КНИ технология должна улучшить характеристики датчиков Холла, так как позволяет трансформировать традиционный датчик Холла, представляющий собой пассивный элемент резистивного типа, в активный элемент транзисторного типа. Эта возможность обусловлена тем, что скрытый диэлектрик КНИ структуры и кремниевая подложка могут быть использованы как полевая управляющая система, характерная для МДП транзисторов. Благодаря этому рабочий ток в КНИ ДХ, в отличие от обычного ДХ, можно изменять и, соответственно, регулировать магниточувствительность широком диапазоне за счёт эффекта поля.
Магнитная чувствительность КНИ ДХ должна быть существенно больше, а рабочий ток существенно меньше, чем у кремниевого аналога, так как рабочий слой кремния в КНИ структуре гораздо тоньше активной области прибора, изготовленного из объемного кристалла кремния. Наличие скрытого диэлектрического слоя КНИ структуры, отделяющего КНИ ДХ от подложки, обеспечивает такому датчику существенное увеличение рабочей температуры и повышение радиационной стойкости к импульсному облучению. Полевая транзисторная природа КНИ ДХ способна обеспечить этому датчику возможность функционировать при температуре жидкого гелия.
Необходимым условием надежного функционирования любых кремниевых транзисторов и ИС является защита поверхности от воздействия атмосферы, достигаемое путем создания диэлектрической пленки (как правило, пленки диоксида кремния). В КНИ ДХ это открывает возможность создать еще одну управляющую систему. КНИ ДХ, в отличии от полевого транзистора, может содержать управляющую систему типа металл – диэлектрик – полупроводник – диэлектрик металл (МДПДМ), что существенно расширяет схемные возможности регистрации и управления магнитоиндуцированным сигналом.
Целью работы является разработка датчика Холла на основе структур КНИ, содержащего МДПДМ полевую управляющую систему, исследование его параметров и характеристик, изучение особенностей применения датчика в магнитометрической аппаратуре. Этот прибор назван полевым датчиком Холла (ПДХ).
Научная новизна работы
1. Разработана и экспериментально подтверждена физико-математическая модель, описывающая основные характеристики (вольт-амперные, сток-затворные и холл-затворные) полевого датчика Холла, представляющего собой магниточувствительный транзистор со встроенным каналом и управляющей системой МДПДМ типа.
2. Обнаружено на холл-затворной характеристике, где напряжение на затворе больше напряжения питания, что ЭДС Холла уменьшается с ростом потенциала на затворах МДПДМ системы, что объясняется влиянием напряжённости поперечного электрического поля затворов ПДХ.
3. Впервые обнаружены ступенчатые скачки тока на вольт-амперной характеристике (ВАХ) в режиме лавинного умножения носителей. Показано, что величина, количество и возникновение скачков зависит от соотношения напряжённостей продольного и поперечного электрических полей в канале ПДХ.
4. Определены закономерности изменения подвижности электронов в канале ПДХ в зависимости от приложенных напряжений и температуры в интервале от 1,7К до 600К. Обнаружено, что поверхностные состояния на границах раздела диэлектрик – полупроводник существенно влияют на уменьшение подвижности носителей при температуре жидкого гелия.
5. Обоснованы физические принципы новых схемотехнических способов измерения магнитных полей, вытекающие из конструктивных особенностей ПДХ и которые не характерны для обычных датчиков Холла.
Практическая полезность
1. Определены электрические режимы работы ПДХ, обеспечивающие повышение магниточувствительности и устойчивости к стационарной ионизирующей радиации, расширение динамического диапазона, уменьшение коэффициента температурной зависимости чувствительности и энергопотребления, что может быть использовано для создания высокочувствительных датчиков Холла, работающих в экстремальных условиях окружающей среды.
2. Разработан способ существенного (на три порядка) увеличения отношения сигнал – шум на основе модуляции тока канала ПДХ с помощью периодического изменения потенциала на затворах МДПДМ системы и последующей обработки холловского сигнала методом синхронного детектирования.
3. Показана возможность применения ПДХ в качестве смесителя переменных электрических и магнитных полей. Разработан на этой основе способ измерения амплитуды и частоты магнитного поля, который может быть использован для спектроскопии переменных магнитных полей.
4. Разработаны новые схемотехнические решения обработки магнитоиндуцированного сигнала ПДХ, основанные на использовании элементов полевого управления МДПДМ системы для формирования цепей обратной связи. Это позволяет создать новые типы магниточувствительных сенсорных устройств, что продемонстрировано на примере созданного преобразователя индукция-частота, стабилизатора микротоков и других устройств различного функционального назначения.
5. Продемонстрирована возможность использования КНИ ПДХ для магнитных измерений в рекордно широком для кремниевых приборов диапазоне температур (от температуры жидкого гелия до 600К), что может быть использовано для создания магнитометрических устройств, работающих при температурах, в которых невозможно функционирование обычных ДХ.
Положения, выносимые на защиту
1. Модель полевого транзистора со встроенным каналом и управляющей системой МДПДМ типа полностью описывает основные электрические характеристики ПДХ ( вольт-амперную, сток-затворную и холл-затворную характеристики ПДХ).
2. Величина магнитоиндуцированного сигнала ПДХ зависит от соотношения напряжённостей продольного и поперечного электрических полей в канале прибора вблизи границ раздела с диэлектриками.
3. Полевое МДПДМ управление обеспечивает улучшение основных характеристик ПДХ и повышает надёжность его функционирования в экстремальных радиационных и температурных условиях.
4. МДПДМ конструкция ПДХ обеспечивает возможность нехарактерных для традиционных датчиков Холла методов обработки сигнала, способствующих улучшению характеристик сенсорных устройств и расширению областей их применения.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Conference “Progress in Semiconductor-On-insulator structures and devices operating at extreme conditions”, Kyiv, 2000, «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2000», Лыткарино, 2000, «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2000», Лыткарино, 2001, Научно-технической конференция « Датчики и детекторы для АЭС», ДДАЭС-2002, 2002 г, 7-th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology, Saint-Petersburg, 2007, European Electromagnetics ( EUROEM 2008), Lausanne, Switzerland, 2008, European Magnetic Sensors & Actuators Conference (EMSA 2008), Caen (France), 2008, Международная конференция и Школа по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе, 2010г. , Конференция КРЕМНИЙ – 2010, г. Нижний Новгород, 2010, XVI Международная научная конференция, г. Красноярск, 7-9 ноября 2012 г, Electromagnetics Symposium (AES 2012), Paris, France, 2012.
Материалы диссертации опубликованы в 22 работах (в том числе 7 из них опубликованы в журналах из перечня ВАК) и 3 патентах.
Личный вклад соискателя заключался в постановке задачи, выборе методик проведения исследования, разработке и изготовлении макетов измерительной аппаратуры, планировании, проведении и анализе результатов экспериментов по измерению электрофизических характеристик КНИ ПДХ, разработке и схемотехнической реализации новых методов измерений и обработки магнитоиндуцированных сигналов, обеспечивающих улучшение основных характеристик ПДХ и расширяющих возможности их практического применения. Автором лично предложена физико-математическая модель КНИ полевого датчика Холла, проведён расчёт и экспериментально проверены его основные электрические характеристики. Основной объем экспериментов был выполнен на экспериментальной базе лаборатории радиационно-стимулированных процессов ИПТМ РАН. В тоже время соискатель принимал личное участие в постановке и проведении исследований спектров шумов ПДХ и характеристик ПДХ при температуре жидкого гелия, проведённых на базе Научно-исследовательского института импульсной техники и Объединённого института ядерных исследований.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. В ней 112 страниц, 5 рисунок, 5 таблиц, библиография насчитывает 32 источника.
Физические принципы функционирования различных типов МЧЭ
При анализе МЧЭ различного типа нами приняты во внимание свойства полупроводниковых материалов, на основе которых изготавливается МЧЭ, и совместимость технологии их изготовления с кремниевой микроэлектронной технологией, используемой для изготовления ИС обработки сигнала МЧЭ. Отметим, что совместимость с кремниевой технологией в последние годы рассматривается как один из важнейших факторов при выборе МЧЭ, поскольку тенденция развития сенсорной техники заключается в объединении МЧЭ с сервисной электроникой в единой конструкции кремниевых ИС.
Одной из основных характеристик МЧЭ является пороговая магниточувствительность, т.е. минимальное значение индукции магнитного поля, которую датчик может зарегистрировать и которая, прежде всего, во многом определяется шумом. Значение пороговой магниточувствительности определяет нижнюю границу другой важной характеристик МЧЭ — динамического диапазона магнитной чувствительности. В свою очередь верхний предел динамического диапазона магнитной чувствительности определяется сохранением линейной зависимости выходного сигнала МЧЭ от напряженности внешнего магнитного поля.
Кроме пороговой магниточувствительности и динамического диапазона магнитной чувствительности в качестве характеристик, по которым будут сопоставляется свойства МЧЭ, приняты диапазон рабочих температур, энергопотребление, геометрические размеры и радиационная стойкость.
Как известно, магниточувствительность элемента Холла при прочих равных условиях зависит от подвижности носителей тока в полупроводнике [1]. В силу этого полупроводниковые соединения GaAs, InAs, InSb, конечно, предпочтительнее Si. Однако в силу необходимости создания интегральных магнитосенсоров перечисленные полупроводники не выдерживают конкуренции с кремнием. Поэтому проведем оценку только кремниевых элементов Холла по перечисленным выше критериям.
С технологической точки зрения наиболее подходящими для наших целей являются тонкопленочные магниторезисторы на основе, например Ni-Со или Ni-Fe сплавов. Подложкой для них в этом случае служит окисленная пластина кремния. Основные характеристики: Пороговая магниточувствительностъ — 10 Тл; Диапазон магнигпочувствительности — не более 0,1 Тл; Рабочие температуры - от криогенных температур до +150 ...200 С; Рабочий ток — десятки мА;
Пороговая магниточувствительностъ — Iff Тл; Диапазон магниточувствительности — 0,1 Тл; Рабочие температуры - -40....+50 С; Рабочий ток — единицы-десятки мА; Радиационная стойкость — очень высокая к обоим типам излучения; Минимальные геометрические размеры см3. Сопоставление приведенных данных, однозначно показывает, что оптимальное совокупное соответствие выбранным для сравнения МЧЭ критериев, без сомнения, относится к элементу Холла.
Следует отметить, что при современном уровне технологии микроэлектроники наличие остаточного напряжения между Холловскими контактами МЧЭ, прежде всего, связано с несовпадением осей Холловских контактов (например, при использовании проектных норм в 2 мкм, данная величина не превышает величину в 0,2 мкм), а с возникновением в кристалле МЧЭ упругих напряжении при его постановке на кристаллодержатель. Данное обстоятельство становиться особенно важным при изменении температуры окружающей МЧЭ среды, т.к. коэффициенты термического расширения кристаллодержателя и МЧЭ различны. Соответственно, очевидно, что с изменением температуры окружающей среды изменяется и величина упругих напряжений в кристалле МЧЭ, а как следствие и величина остаточного напряжения, будут значительно изменяться.
Для того чтобы охарактеризовать связанную с остаточным напряжением возможную ошибку в измерении с помощью МЧЭ величины внешнего магнитного поля В, используется величина равная той индукции магнитного поля, которое следовало бы приложить для компенсации остаточного напряжения. Данная величина получила название остаточного магнитного поля.
Отметим, что для типичных образцов МЧЭ на эффекте Холла данная величина равна примерно Вост= 5- -10 мТ. Плотность шума по напряжению [1,5,6] Для МЧЭ на эффектах Холла шум состоит из температурного шума, генерационно-рекомбинационного шума и шума типа І/f. Обычно генерационно - рекомбинационным шумом пренебрегают, т.к. его значение по сравнению с шумом типа І/f крайне мало. Таким образом, плотность шума МЧЭ на эффекте Холла можно представить в виде следующего выражения:
Сопоставление свойств МЧЭ различного типа
Следует отметить, что применение постоянного тока для питания МЧЭ на эффекте Холла имеет ряд недостатков, ограничивающих их использование в высокоточной аппаратуре. Питание МЧЭ может осуществляться переменным синусоидальным или импульсным током. При этом каждая из схем питания имеет свои особенности и выбирается исходя из конкретных условий применения МЧЭ. В большинстве случаев при практическом использовании элементы Холла питаются от источников постоянного напряжения (или тока). Существует множество различных вариантов таких схем электропитания.
Используются два варианта питания элемента Холла прямоугольными импульсами: однополярными и разнополярными симметричными. В первом случае через ЭХ протекают не только гармонические, но и постоянные составляющие импульсов тока питания. Во втором случае на элемент Холла поступают только переменные составляющие тока питания, что осуществляется применением разделительного конденсатора или трансформатора во входных цепях ЭХ. Источники прямоугольных импульсов обеспечивают стабильные импульсы по амплитуде и длительности в широком диапазоне рабочих температур и при более простых схемных решениях.
В большинстве промышленных магнитометров отечественного и зарубежного производства используют схемы питания дискретных элементов Холла синусоидальным током. Это связано с необходимостью увеличения отношения сигнал/шум, что достигается введением избирательных элементов в схему обработки сигнала ЭХ. При питании ЭХ током, изменяющимся во времени по синусоидальному закону, требуется использование генераторов сигналов синусоидальной формы, высокостабильных как по амплитуде, так и по частоте[4].
Уменьшение остаточного напряжения элементов Холла Компенсация остаточного напряжения магниточувствительньгх элементов на эффекте Холла осуществляется, как за счет применения определенных конструктивных решений, так и в результате использования схемотехнических мер [1,4]. Простейший вариант схемотехнического решения - включение дополнительного переменного резистора R (см. рис. 9). Варианты включения, показанные на рис. 9а, 96 и 9е, не влияют на термостабильность магниточувствительного элемента. Более термостабильными являются варианты рис. 9г и 9д. Для повышения термостабильности на одном конце МЧЭ выделяется два токовых электрода и внешним потенциометром R устанавливается соотношение токов через них (рис. 9е). Аналогично можно заменить один их «холловских» электродов двумя, разделенными по длине (рис.9г). Указанная термокомпенсация осуществима лишь в относительно узком интервале температур (Во-первых, вследствие разной зависимости от температуры удельного сопротивления материалов тела ДХ и компенсирующего элемента (резистора R) и, во-вторых, из-за зависимости сопротивления контактов ДХ от температуры, что особенно заметно при больших значениях тока управления).
Как уже было показано выше, традиционный магноточувствительный элемент Холла представляется собой пассивный резистивныи элемент, способный воспринимать внешнее магнитной воздействие и генерировать на своих холловских электродах магнитоиндуцированный сигнал. При этом предельное значение магнитоиндуцируемого сигнала определяется напряженностью внешнего магнитного поля, геометрическими параметрами самого датчика и электрофизическими характеристиками полупроводника на базе которого изготовлен элемент Холла.
Наряду с этим также известно, что традиционный МОП транзистор обладает возможностью усиления тока протекающего через его канал путем подачи соответствующего напряжения на его управляющую МОП систему [11]. Таким образом, очевидно, что если на поверхность магниточувствительного элемента на эффекте Холла нанести управляющую МОП систему, то получившийся гибрид традиционного датчика Холла и МОП элемента будет иметь возможность не только регистрировать внешнее магнитной поле, но и внутренне усиливать величину этого магнитоиндуцированного сигнала.
В КНИ ДХ благодаря малой толщине рабочего слоя кремния существует возможность организации не однозатворного варианта гибрида магниточувствительного элемента и датчика Холла, а его двухзатворной (по вертикали) конфигурации [12,14,15,16]. Подобная конструкция позволит не только эффективнее управлять величиной магнитоиндуцированного сигнала КНИ МЧЭ, но и существенно расширить варианты его схемной обработки. Один из затворов такого КНИ МЧЭ представляет собой металлизированную подложку КНИ структуры, второй характерен для традиционных МОП элементов и расположен на внешней поверхности КНИ слоя кремния и представляет собой металлизированный контакт, нанесенный на подзатворный диэлектрик, который в свою очередь покоится на КНИ слое кремния. Именно такой вариант двухзавторного КНИ МЧЭ является основным объектом исследования настоящей диссертационной работы.
Соответствующий двухзатворный КНИ датчик на эффекте Холла был впервые разработан в России и назван полевым датчиком Холла (ПДХ). Более подробно о конструкции ПДХ будет сообщено во второй главе настоящей работы. Из общих физических соображений также очевидно, что благодаря транзисторной природе в КНИ ПДХ существует возможность по новому организовать схемотехнику обработки его магнитоиндуцированного сигнала.
Аппаратура для измерения электрических характеристик ПДХ КНИ
Наиболее важными характеристиками ПДХ являются ток-затворная (ТЗХ - зависимость рабочего тока датчика / от затворного смещения Vg при постоянном напряжении питания Vj) и холл-затворная (ХЗХ - зависимость холловского напряжения VH от Vg). Здесь следует отметить, что величина холловского напряжения VH является разностью двух напряжений на холловских выводах датчика: при наличии внешнего магнитного поля (F#) И в отсутствие его {VH), причем величина VH зависит как от Vp, так и от Vg. В обычном (классическом) датчике Холла величина VH прямо пропорциональна рабочему току, величина которого определяется напряжением питания. В случае полевого датчика Холла рабочий ток и холловское напряжение зависят как от напряжения питания, так и от затворного смещения, а взаимосвязь между VH и /может быть установлена по результатам измерений ток-затворных и холл-затворных характеристик. Поэтому на первом этапе наших исследований были измерены ТЗХ и ХЗХ при различных FJHB двух вариантах приложения затворного смещения: к верхнему затвору (при заземленном нижнем) и наоборот.
На рис. 30 представлен ряд зависимостей VH — I, полученных на основе измеренных ТЗХ и ХЗХ характеристик. Для каждой кривой напряжение питания фиксировано, а интервал между экспериментальными точками соответствует изменению смещения на верхнем затворе на 1.5 В, крайние левые точки соответствуют Vg = 0. При этом нижний затвор был заземлен. Аналогичные взаимозависимости VH - I получены при заземленном верхнем затворе и изменяющемся смещении нижнего затвора.
Особое внимание было уделено измерению характеристик ПДХ при низких температурах (вплоть до гелиевых) и при большой индукции внешнего магнитного поля (вплоть до 5 Тл). При этих измерениях верхний и нижний затворы соединялись вместе. Исследовалось также влияние гамма-облучения (изотоп Со60) при широком диапазоне доз на характеристики ПДХ при раздельном функционировании каждого затвора в процессе как облучения, так и измерения. Значение холловской подвижности электронов, усреднённой по толщине рабочего слоя кремния, рассчитывалось из следующего соотношения [1]: ц = 10 V„ / (Vd В), (1) справедливого в случае равных значений длины и ширины кремниевого канала. В выражении (1) напряжения выражены в Вольтах, а индукция магнитного поля В - в единицах Тесла.
Измерены подвижности носителей заряда в канале КНИ ПДХ при различных электрических режимах и различных температурах. По мере увеличения положительного потенциала на затворах увеличивается концентрация электронов, аккумулируемых в Si вблизи границы раздела с диэлектриками, и возрастает степень рассеяния электронов на поверхностных состояниях в кремнии и на дефектах в областях диэлектрика, непосредственно прилегающих к Si. Экспериментально определено значение соотношения напряженностей полей в канале ПДХ, при котором подвижность электронов максимальна. В табл.1 приведены данные зависимости максимальной подвижности электронов fiMaKC от напряжения питания Vd при вариациях напряжённостей продольного и поперечного электрических полей (Епр и Епоп соответственно) и их отношения. Приведены результаты двух серий измерений, проведенных на одном и том же ПДХ. В одной из них изменялся потенциал нижнего затвора, а потенциал верхнего затвора был равен нулю. В другой варьировался потенциал нижнего затвора при нулевом потенциале на верхнем. Измерения проводились при комнатной температуре. Индукция магнитного поля составляла 60 мТл. Из табл. 4 видно, что максимальное значение подвижности электронов в каждой серии измерений практически постоянно. Различие значений Епог/Епр в двух сериях связано с различием толщин подзатворных диэлектриков и технологии их формирования, обусловившей различие концентраций поверхностных состояний и собственной дефектности окислов (верхний диэлектрик получен термическим окислением кремния, скрытый диэлектрик КНИ структуры сформирован ионной имплантацией кислорода и последующим отжигом).
Ранее неоднократно рассматривался вопрос о влиянии электрического поля на подвижность носителей в МДП-структурах при различных температурах [17-19]. Было показано, что с понижением температуры влияние поля на подвижность становится менее ярко выраженным. При этом диапазон исследованных температур был сравнительно невелик: примерно 150К 400 К. Мы расширили этот диапазон снизу вплоть до температуры жидкого гелия. На рис. 31 а, б показаны полученные нами холл-затворные характеристики ПДХ соответственно при комнатной температуре и при 4К при двух значениях напряжения питания. Анализ этих рисунков приводит к нескольким выводам. Отметим прежде всего, что полевой датчик Холла сохраняет работоспособность при гелиевых температурах в отличие от классического
Особенности схемного использования ПДХ, основанные на особенности его МДПДМ конструкции
Очевидно, что этот подход наиболее успешен если величины Еост обоих элементов максимально близки друг к другу. Это наиболее реально в том случае, когда оба элемента формируются в едином технологическом цикле на одной пластине полупроводника и имеют достаточно малые размеры (площадь не более, примерно, 100 х 100 мкм2) и минимальное расстояние между собой (20-30 мкм).
При использовании больших по размерам дискретных элементов Холла ( 200 х 200 мкм с расстоянием между ними 100 мкм), существенное подавление остаточного напряжения в такой паре становится проблематичным.
Иное дело двухэлементный ПДХ. В этом случае различие значений Еост может быть достаточно точно скомпенсировано изменением потенциала на любом затворе одного из ПДХ при неизменном потенциале затвора другого ПДХ (рис. 43). Е ост, мВ
Подавление остаточного напряжения в двухэлементном ПДХ в двухзатворном ПДХ вариацией потенциала затворов в одном из элементов.
Возможность компенсации остаточного напряжения путем изменения напряжения на затворе ПДХ в двухэлементной конструкции иллюстрируется результатами эксперимента, в котором в одном корпусе были смонтированы два кристалла ПДХ размером 500 х 500 мкм с расстоянием между ними 500 мкм. При подаче на каждый из ПДХ напряжения питания 5 В и напряжения на соединенные вместе затворы 5 В остаточное напряжение одного из них составляло 5 мВ, другого 3 мВ. После того, как ПДХ были соединены по схеме, показанной на рис.42, остаточное напряжение двухэлементного ПДХ составило 2 мВ. При изменении потенциала затворов одного из кристаллов ПДХ на 1 В и сохранении неизменным такового в другом ПДХ выходной остаточный сигнал уменьшился до 0,1 мВ.
Стабилизация рабочего тока ПДХ и уменьшение коэффициента температурной зависимости магниточувствительности Известно, что эдс Холла зависит от величины рабочего тока и индукции магнитного поля [1,4]. При этом холловский сигнал является сильно температурозависимым. Физически это связано с тем, что при изменении температуры изменяется сопротивление тела датчика (прежде всего, из-за изменения подвижности носителей тока) и, следовательно, величина рабочего тока, если датчик питается от источника постоянного напряжения. Очевидно, что уменьшить зависимость магниточувствительности элемента Холла от температуры можно, если датчик будет работать в режиме генератора тока.
Общепринятый путь осуществления такого режима применительно к традиционным элементам Холла - использование специального электронного узла, стабилизирующего рабочий ток датчика. Однако в ПДХ эта задача может быть решена без помощи дополнительных элементов. Указанная цель может быть достигнута за счет изменения потенциала на управляющих затворах ПДХ (ПДХ), включенных в цепь обратной связи каскада усиления холловского сигнала.
На рис. 44 для примера представлена характерная зависимость эдс Холла ПДХ, работающего в режиме генератора тока, от температуры. Потенциал одного из затворов был равен нулю во всем исследованном температурном диапазоне (80....380 К). Дня поддержания постоянства величины тока канала напряжение на другом затворе ПДХ изменялось. Диапазон соответствующих изменений зависел от выбора величины напряжения на другом затворе. К примеру, в случае, если напряжения на одном из затворов отсутствовало, напряжения на втором затворе изменялось от 8,3 до 9,3 В (кривая 1 рис.44). При напряжении на одном из затворов 3,5 В, напряжение на другом затворе изменялось от 1,8 до 5,2 В (кривая 2 рис.4 4). Напряжение питания в процессе эксперимента оставалось постоянным и было равно 5В. Из рис. видно, что коэффициент температурной зависимости эдс Холла в этом случае составляет примерно, 0,01%/К. Температурная зависимость коэффициента магниточувствительности контрольных образцов ПДХ, работавших в том же интервале температур в режиме генератора напряжения при постоянных значениях потенциала на затворах МДПДМ системы, были гораздо выше (около 0,4 %/К) [1].
. Зависимость ЭДС Холла ПДХ, работающего в режиме генератора тока, от температуры. Напряэюение на одном из электродов затворов 0 В (1) или 3.5 В (2). Напряжение питания 5 В. Величина стабилизируемого токаї = 100 мкА. Повышение магниточувствительности ПДХ путем модуляции тока канала и синхронного детектирования
Периодическое изменение потенциала затворов МДПДМ системы позволяет модулировать ток канала ПДХ и измерять холловский сигнал на частоте модуляции. В этом случае, используя схему синхронного детектирования холловского сигнала, можно существенно увеличить отношение сигнал/шум. На рис. 45 показано, что уже при частотах порядка 100 кГц собственный шум ПДХ уменьшается в десятки раз и продолжает уменьшаться при дальнейшем увеличении частоты.
Принципиальная схема измерений индукции магнитного поля при модулировании тока через канал ПДХ полевыми затворами и синхронном детектировании холловского сигнала приведена на рис. 46. Использование такой схемы позволило в десятки раз увеличить пороговую магниточувствительность ПДХ при регистрации постоянного магнитного поля до значений около 1 мкТл. Дополнительное достоинство затворной модуляции тока канала заключается в снижении коммутационных помех, характерных для обычно используемых схем, в которых модулируется непосредственно холловский сигнал [24].
