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    公开号:WO1986007196A1
    申请号:PCT/CH1986/000056
    申请日:1986-04-25
    公开日:1986-12-04
    发明作者:Radivoje Popovic；Katalin Solt；Jean-Luc Berchier
    申请人:Lgz Landis & Gyr Zug Ag；
    IPC主号:H01L27-00
    专利说明:
    [0001] Einrichtung mit einem in einer integrierten Schaltung integrierbaren Hallelement
    [0002] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einem in einer integrierten Schaltung integrierbaren Hallelement gemäss dem Ober¬ begriff des Anspruchs 1.
    [0003] Derartige Einrichtungen werden z.B. in Leistungsmessern oder Elek¬ trizitätszählern verwendet zum Messen eines elektrischen Stromes iN oder zur Bildung eines Spannungs/Strom-Produktes uN • iN. Dabei bezeichnet uN die Netzspannung eines elektrischen Versorgungsnetzes und iN den von einem Benutzer elektrischer Energie verbrauchten elek¬ trischen Strom. Da der Strom iN proportional einem von ihm erzeugten Magnetfeld H,. ist, misst das Hallelement indirekt den Strom iN, wenn es das Magnetfeld H,. ermittelt. Da die Ausgangsspannung VH des Hallelementes proportional dem Produkt i • HN ist, wobei i den Speisestrom des Hai lelementes darstellt, bildet das Hallelement auch das Spannungs/Strom-Produkt u», • iN, wenn der Speiseström i des Hallelementes mit Hilfe eines Widerstandes proportional der Netzspan- nung uN gewählt wird. In diesem Fall muss das Hallelement als Vier¬ quadrant-Multiplikator arbeiten, da u.. und i., bzw. i und HN sinus¬ förmig sind und somit positive und negative Werte besitzen.
    [0004] Ein integrierbares vertikales Hallelement gemäss dem Oberbegriff des " Anspruchs 1 ist aus der Druckschrift "The vertical hall-effect device", R.S. Popovic, IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-5, No. 9, Sept. 84, Seiten 357-358, bekannt. Vertikale integrierbare Hallele¬ mente sind Hallelemente, die Magnetfelder HN messen, die parallel zur Oberfläche des integrierten Hallelementes wirksam sind.
    [0005] Betreffend der Stabilität und insbesondere betreffend der Langzeit¬ stabilität von Hallelementen ist, wie z.B. ersichtlich aus der Druck¬ schrift "Hall effect probes and their use in a fully auto ated ag- netic easuring System", M.W. Poole und R.P. Walker, IEEE Transac- tions on Magnetics, Vol. MAG-17, No. 5, Sept. 81, Seite 2132, nur wenig und nur Prinzipielles bekannt.
    [0006] ./. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, integrierbare Hallelemente langzeitstabil zu machen unter Verwendung einer Technologie, die es gestattet, gleichzeitig integrierbare Hallelemente und integrierbare Transistoren herzustellen.
    [0007] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
    [0008] Weitere Aufgaben, die durch Merkmale von Unteransprüchen gelöst 0 werden, sind integrierbare Hallelemente temperaturstabil zu machen und ihre Kennlinie V„ = f(B) bei konstantem, gegebenem Speisestrom i zu linearisieren. Dabei bezeichnet V„ die Ausgangsspannung des Hallelementes und
    die Induktion des zu messenden Magnetfeldes
    [0009] HN. 5
    [0010] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
    [0011] Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht einer ersten prinzipiellen Vari¬ 0 ante eines vergrabenen stabilen Hallelementes, Fig. 2 einen zur Fig. 1 gehörenden vertikalen Quer¬ schnitt des dort dargestellten Hallelementes, Fig. 3 eine Draufsicht einer ersten praktischen Aus¬ führung des in den Figuren 1 und 2 dargestell- 5 ten Hallelementes,
    [0012] Fig. 4 einen zur Fig. 3 und zur Fig. 5 gehörenden verti¬ kalen Querschnitt des dort jeweils dargestell¬ ten Hallelementes, Fig. 5 einen horizontalen Querschnitt einer zweiten Q praktischen Ausführung des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Hallelementes, Fig. 6 eine Draufsicht zweier Varianten von Sperrschicht- Feldeffekttransistoren, die im gleichen Verfahren hergestellt sind wie die in den Figuren 3 bis 5 5 dargestellten Hallelemente,
    [0013] Fig. 7 einen zur Fig. 6 gehörenden vertikalen Quer¬ schnitt der dort dargestellten Sperrschicht- Feldeffekttransistören,
    [0014] ./. Fig. 8 eine Draufsicht einer zweiten prinzipiellen
    [0015] Variante eines vergrabenen stabilen Hai lelementes,
    [0016] Fig. 9 einen zur Fig. 8 gehörenden vertikalen Quer¬ schnitt des dort dargestellten Hallelementes,
    [0017] Fig. 10 eine Draufsicht einer ersten praktischen Ausfüh¬ rung des in den Figuren 8 und 9 dargestellten Hai lelementes,
    [0018] Fig. 11 einen zur Fig. 10 gehörenden vertikalen Quer¬ schnitt des dort dargestellten Hai lelementes,
    [0019] Fig. 12 eine Drausicht eines Sperrschicht-Feldeffekt¬ transistors, der im gleichen Verfahren herge¬ stellt ist wie das in den Figuren 10 und 11 dargestellte Hal lelement,
    [0020] Fig. 13 einen zur Fig. 12 gehörenden vertikalen Quer¬ schnitt des dort dargestellten Sperrschicht- Feldeffekttransistors,
    [0021] Fig. 14 einen horizontalen Querschnitt einer zweiten praktischen Ausführung des in den Figuren 8 und 9 dargestellten Hallelementes,
    [0022] Fig. 15 einen zu den Figuren 14 und 16 gehörenden verti¬ kalen Querschnitt der dort jeweils dargestellten Hallelemente,
    [0023] Fig. 16 einen horizontalen Querschnitt einer dritten praktischen Ausführung des in den Figuren 8 und 9 dargestellten Hailelementes,
    [0024] Fig. 17 ein Anschluss-SchaltbiId eines vertikalen Hall¬ elementes mit fünf Anschlüssen,
    [0025] Fig. 18 ein Blockschaltbild einer Einrichtung mit einem Hallelement,
    [0026] Fig. 19 eine Kennlinie V„ = f(B) der Ausgangsspannung
    [0027] V„ eines Hallelementes in Funktion einer gemesse¬ nen Induktion B bei gegebenem Speisestrom i,
    [0028] Fig. 20 Kennlinien geradpaariger Nichtlinearitäten £.(B) und
    [0029] Fig. 21 Kennlinien ungeradpaariger Nichtlinearitäten
    [0030] Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Tei le. Die in den Figuren 1 bis 16 dargestellten Hallelemente 1 bzw. Sperr- schicht-Feldeffektransistören sind aus Silizium- oder aus Gallium/ Arsenid (GaAs)-Material hergestellt. Sie bestehen in der Regel aus Schichten eines dieser beiden Materialien. Alle diese Schichten sind entweder vom Material leitfähigkeitstyp P oder vom entgegenge¬ setzten Materialleitfähigkeitstyp N. Die Bezeichnungen N und P deuten an, dass das entsprechende N- bzw. P-Material stark mit Frem- atomen dotiert ist, d.h. mindestens eine Konzentration von annähernd
    [0031] 10 20 Ionen pro cm3 besitzt. Umgekehrt deuten die Bezeichnungen N und P an, dass das entsprechende N- bzw. P-Material schwach mit Fremd¬ atomen dotiert ist.
    [0032] Die aktiven Zonen der in den Figuren 1 bis 16 dargestellten Hallele¬ mente 1 bzw. Sperrschicht-Feldeffekttransistoren können sowohl aus P- als auch aus N-Material hergestellt werden, was keinen Einfluss auf ihre Funktion hat unter der Bedingung, dass die Polaritäten der zugehörigen Speisespannungen bzw. Speiseströme entsprechend richtig gewählt werden. In der Zeichnung wurde einfachshalber angenommen, dass die aktiven Zonen immer aus N-Material hergestellt sind, was keine Einschränkung des Erfindungsgegenstandes darstellen soll.
    [0033] In den Figuren 1 bis 16 wurden einfachshalber in der Regel die elek¬ trischen Anschlüsse C., C2, C' , C"2, S., S2, R und SUB des Hallele¬ mentes 1 bzw. S, D und G der Sperrschicht-Feldeffekttransistoren als Drähte dargestellt. In der Praxis haben sie natürlich die Gestalt von Metallisierungen, die als dünne Leiterbahnen auf die Oberfläche des integrierten Hallelementes 1 bzw. der dazugehörigen integrierten Schaltung aufgetragen sind.
    [0034] Alle in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Hallelemente 1 besitzen zwei Stromanschlüsse C. und C2 und zwei Sensoranschlüsse S. und S2. Alle in den Figuren 8 bis 11 und 14 bis 16 dargestellten Hallelemente 1 besitzen drei Stromanschlüsse C., C'2 und C" und zwei Sensoran-
    [0035] Schlüsse Sx und S2> In diesem Fall ist das Hallelement 1 mit den fünf
    [0036] ./. elektrischen Anschlüssen C., C'2, C"2, S. und S2 immer wie in der Fig. 17 dargestellt extern zu beschälten. In der Fig. 18 wurde ein- fachshalber das Vorhandensein eines Hallelementes 1 mit vier Strom¬ bzw. Sensor-Anschlüssen C,, C2, S. und S2 angenommen, was keine Einschränkung auf eine "Vier Anschluss-Variante" darstellen soll. Desgleichen sind die in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Lösungen nicht auf "Vier Anschluss-Varianten" und die in den Figuren 8 bis 11 und 14 bis 16 dargestellten Lösungen nicht auf "Fünf Anschluss-Va¬ rianten" beschränkt, sondern alle Kombinationen sind möglich.
    [0037] In allen Varianten liegt z.B. einer der beiden Sensoranschlüsse S. bzw. S2 an Masse und der andere Sensoranschluss S2 bzw. S. bildet den Ausgang des Hallelementes 1. In der Zeichnung wurde angenommen, dass der erste Sensoranschluss S, den Ausgang des Hallelementes 1 bildet und dass der zweite Sensoranschluss S2 an Masse liegt.
    [0038] Die elektrischen Anschlüsse C., C2 bzw. C'2, C"2> S, und S2 des Hallelementes 1 besitzen je einen Anschlusskontakt 2, 3, 4, 5 bzw. 6.
    [0039] In den Figuren 1 bis 4 sind zwei Sensor-Anschlusskontakte 5 und 6 sowie einer der Strom-Anschlusskontakte, z.B. der zum ersten Stroman- schluss C, gehörende erste Strom-Anschlusskontakt 2, an der Oberflä¬ che im Hallelement 1 angeordnet, während der andere, zum zweiten Stromanschluss C2 gehörende zweite Strom-Anschlusskontakt 3 an der Bodenfläche, dem ersten Strom-Anschlusskontakt 2 diametral gegenüber¬ liegend, im Hallelement 1 angeordnet ist. Die an der Oberfläche angeordneten Anschlusskontakte 2, 5 und 6 sind z.B. alle gleich gross und haben z.B. alle eine gleiche rechteckför ige Gestalt mit abgerun¬ deten Kanten. Sie sind alle annähernd in einer geraden Linie neben- einander angeordnet, wobei der erste Strom-Anschlusskontakt 2 in der Mitte liegt und die beiden Sensor-Anschlusskontakte 5 und 6 symme¬ trisch zum ersten Strom-Anschlusskontakt 2 auf der annähernd geraden Linie angeordnet sind. Unterhalb der an der Oberfläche im Hallelement 1 angeordneten drei Anschlusskontakte 2, 5 und 6 befindet sich die aktive Zone 7 des Hai lelementes 1.
    [0040] /. In den Figuren 8 bis 11 und 14 bis 16 sind alle fünf Anschlusskontak¬ te 2, 3, 4, 5 und 6 an der Oberfläche im Hallelement 1 angeordnet. Die Anschlusskontakte 2 bis 6 sind z.B. alle gleich gross und haben z.B. alle eine gleiche rechteckförmige Gestalt mit abgerundeten Kanten. Sie sind alle annähernd in einer geraden Linie nebeneinander angeordnet, wobei der erste Strom-Anschlusskontakt 2 in der Mitte liegt und die beiden Sensor-Anschlusskontakte 5 und 6 einerseits und die beiden anderen Strom-Anschlusskontakte 3 und 4 anderseits symmetrisch zum ersten Strom-Anschlusskontakt 2 auf der annähernd geraden Linie angeordnet sind. Jeder Sensor-Anschlusskontakt 5 bzw. 6 liegt dabei jeweils zwischen dem ersten Strom-Anschlusskontakt 2 und einem der beiden andern Strom-Anschlusskontakte 3 bzw. 4. Unterhalb der an der Oberfläche im Hallelement 1 angeordneten fünf Anschlusskon¬ takte 2 bis 6 befindet sich die aktive Zone 7 des Hallelementes 1.
    [0041] Mit andern Worten: Das integrierbare Hallelement 1 besitzt zwei Sensor-Anschlusskontakte 5 und 6 sowie mindestens zwei Strom-An¬ schlusskontakte 2. und 3, die grösstentei Is, d.h. drei von vier oder alle, an der Oberfläche im Hallelement 1 angeordnet sind. Alle An¬ schlusskontakte 2 bis 6 und die aktive Zone 7 des Hallelementes 1 bestehen aus Material vom gleichen Materialleitfähigkeitstyp wie das Material, aus dem das Hallelement 1 hergestellt ist. Alle An¬ schlusskontakte 2 bis 6 sind ausserde stark mit Fremdatomen dotiert. Da das Hallelement 1 als aus N-Material ausgehend hergestellt angenom¬ men wurde, bestehen alle Strom- und Sensor-Anschlusskontakte 2 bis 6 aus N -Material und die aktive Zone 7 des Hallelementes 1 aus N- bzw. N"-Material.
    [0042] Die aktive Zone 7 des Hallelementes 1 ist seitlich von einem Ring 8 umgeben, wobei der Ring 8 jeweils einen Ringanschluss R besitzt. Der Ring 8 ist nicht unbedingt kreisförmig, sondern in der Regel rechteck- förmig. Auch braucht er nicht durchgehend zu sein, sondern kann einmal oder mehrmals unterbrochen sein. Er ist immer durch eine Deckplatte 9 und eine Bodenplatte 10 so erweitert, dass der erweiter¬ te Ring 8; 9; 10, der nachfolgend auch als erweiterter Ring 11 be¬ zeichnet wird, die aktive Zone 7 des Hallelementes 1 nach allen Richtungen hin möglichst vollständig umgibt. Die Sensor- und Strom- Anschlusskontakte 2 bis 6 des Hallelementes 1 durchqueren die Deck-
    [0043] ./. platte 9 oder die Bodenplatte 10 bis zum elektrischen Kontakt mit der aktiven Zone 7 des Hallelementes 1. Der Ring 8, die Deckplatte 9 und die Bodenplatte 10 bestehen aus gleichem oder unterschiedlichem Material, dass aber immer vom gleichen Materialleitfähigkeitstyp ist. In allen Fällen haben der Ring 8, die Deckplatte 9 und die Bodenplat¬ te 10 elektrischen Kontakt miteinander und sie sind alle vom entgegen¬ gesetzten Material leitfähigkeitstyp wie die aktive Zone 7 und die Sensor- und Strom-Anschlusskontakte 2 bis 6 des Hallelementes 1. Sie bestehen in unserem Beispiel also aus P-Material.
    [0044] Die Figuren 1 und 2 zeigen die Draufsicht und einen vertikalen Quer¬ schnitt einer ersten prinzipiellen Variante eines im Innern des Halbleitermaterials vergrabenen stabilen Hallelementes 1. Desgleichen zeigen die Figuren 8 und 9 die Draufsicht und den vertikalen Quer¬ schnitt einer zweiten prinzipiellen Variante eines im Innern des Halbleitermaterials vergrabenen stabilen Hallelementes 1. Beide Varianten unterscheiden sich nur durch die Anzahl vier bzw. fünf der vorhandenen Strom- bzw. Sensor-Anschlüsse C., C2, S. und S2 bzw. C., C'2, C"2, S, und S2 mit ihren jeweiligen Anschlusskontakten 2, 3, 5 und 6 bzw. 2 bis 6. Abgesehen von den Durchführungen für die Strom- und Sensoranschlusskontakte 2, 3, 5 und 6 bzw. 2 bis 6 umgibt der aus dem Ring 8, der Deckplatte 9 und der Bodenplatte 10 bestehende erwei¬ terte Ring 11 die aktive Zone 7 des Hallelements 1 idealerweise vollständig nach allen Richtungen hin, d.h. sowohl seitlich wie auch nach oben und nach unten hin. In beiden Varianten ist der erweiterte Ring 11 aus einem Stück und der Ring 8, die Deckplatte 9 und die Bodenplatte 10 bestehen demnach aus dem gleichen P-Material.
    [0045] Die Figuren 3 und 4 zeigen die Draufsicht und einen vertikalen Quer¬ schnitt einer ersten praktischen Ausführung des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Hallelementes 1. Dieses Hallelement 1 ist aus einem Substrat 12 hergestellt, das z.B. aus N"-Material besteht. Das Substrat 12 besitzt ausserhalb des erweiterten Ringes 11 einen in seiner Oberfläche angeordneten Substrat-Anschlusskontakt 13 aus stark mit Fremdatomen dotiertem Material vom gleichen Material leit¬ fähigkeitstyp N wie das Substrat 12 und die aktive Zone 7 des Hall¬ elementes 1, die beide hier aus N~-Material bestehen. Der Substrat-An¬ schlusskontakt 13 besitzt einen Substratanschluss SUB. Der Aufbau
    [0046] ./. dieses Hallelementes 1 ist ähnlich wie derjenige, der in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist mit dem Unterschied, dass der Ring 8 aus Alp+-Material besteht, d.h. aus stark mit Fremdatomen dotiertem Aluminium-Material vom Material leitfähigkeitstyp P. Auch hier bilden der Ring 8, die Deckplatte 9 und die Bodenplatte 10 zusammen eine durchgehende Fläche, die die aktive Zone 7 des Hallelementes 1, einmal von den Durchführungen für die Strom- und Sensor-Anschlusskon¬ takte 2, 3, 5 und 6 abgesehen, vollständig nach allen Richtungen hin umgibt. Der Ring 8 durchquert das Substrat 12 durchgehend von seiner Oberfläche bis zu seiner Bodenfläche und ist z.B. mit Hilfe eines sogenannten Thermomigration-Verfahrens hergestellt. Das Thermomigra- tion-Herstellungsverfahren ist in der Druckschrift "Journal of app- lied physics, Vol. 48, No. 9, Sept. 77, Seiten 3943 bis 3949, Lamel- lar devices processed by thermomigration, T.R. Anthony and H.E. Cline" beschrieben.
    [0047] Die Figuren 5 und 4 zeigen einen horizontalen und einen vertikalen Querschnitt einer zweiten praktischen Ausführung des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Hallelementes 1. Diese zweite Ausführung ist eine verbesserte Variante der ersten Ausführung und wird ebenfalls im Thermomigration-Verfahren hergestellt. Die Fig. 5 stellt einen parallel zur Oberläche des Hallelementes 1 verlaufenden Querschnitt des Hallelementes 1 dar, der unmittelbar unterhalb der Deckplatte 9 verläuft (siehe Fig. 4). Das in der Fig. 5 dargestellte Hallelement 1 ähnelt dem in der Fig. 3 dargestellten Hallelement 1 mit dem Unter¬ schied, dass alle gleichnamigen Strom- und Sensor-Anschlusskontakte 2, 3, 5 und 6 in gleicher Anzahl mehrfach vorhanden sind. In der Fig. 5 wurde angenommen, dass alle gleichnamigen Strom- und Sensor¬ anschlusskontakte 2, 3, 5 und 6 jeweils dreimal vorhanden sind, so dass drei erste Strom-Anschlusskontakte 2, 2' und 2", drei zweite Strom-Anschlusskontakte 3, 3' und 3", drei erste Sensor-Anschluss¬ kontakte 5, 5' und 5" und drei zweite Sensor-Anschlusskontakte 6, 6' und 6" existieren. Die drei zweiten Strom-Anschlusskontakte 3, 3' und 3" sind, da bedeckt, in der Fig. 5 nicht sichtbar. Alle Strom- und Sensor-Anschlusskontakte 2, 2', 2", 3, 3', 3", 5, 5', 5", 6 6' und 6" sind z.B. alle annähernd gleich gross und haben z.B. alle eine gleiche Gestalt, die z.B. rechteckförmig mit abgerundeten Kanten ist. Sie bestehen alle aus Material vom gleichen Materielleitfähig-
    [0048] ./. keitstyp und sind alle stark mit Fremdatomen dotiert. Sie bestehen im dargestellten Beispiel aus N -Material. Alle gleichnamigen Strom- und Sensor-Anschlusskontakte 2, 2', 2" bzw. 3, 3', 3" bzw. 5, 5' 5" bzw. 6, 6', 6" sind extern durch je eine elektrische Verbindung miteinander und mit dem zugehörigen Strom- bzw. Sensoranschluss C. bzw. C2 bzw. S x bzw. S2 verbunden. Der Ring 8 besitzt Zwischenstege, die den Ring 8 in nebeneinanderliegende Unterringe unterteilen, wobei jeweils ein Zwischensteg zwei benachbarten Unterringen gemeinsam ist. In der Fig. 5 wurde das Vorhandensein von zwei Zwischenstegen 14 und 15 angenommen, die den Ring 8 in drei Unterringe I, II und III unter¬ teilen. Der Zwischensteg 14 ist den Unterringen I und II und der Zwischensteg 15 den Unterringen II und III gemeinsam. Wenn der Ring 8 und seine Unterringe I, II und III rechteckförmig sind (siehe Fig. 5), dann sind alle gleichnamigen Strom- bzw. Sensor-Anschlusskon- takte 2, 2', 2" bzw. 3, 3', 3" bzw. 5, 5', 5" bzw. 6, 6', 6" an¬ nähernd in einer geraden Linie übereinander angeordnet, d.h. die Verbindungslinie ihrer Mittelpunkte bildet eine annähernd gerade Linie, wobei alle Verbindungslinien parallel zueinander verlaufen. Die Zwischenstege 14 und 15 sind in diesem Fall alle senkrecht zu diesen Verbindungslinien und alle Unterringe I, II und III sind, ohne gegenseitige Verschiebung, in Richtung der Verbindungslinien überein¬ ander angeordnet, wobei die Breiten der Unterringe I, II und III, senkrecht zu den Verbindungslinien gemessen, alle annähernd gleich gross sind. So entsteht z.B., wenn nur zwei Unterringe vorhanden sind, eine rechteckförmige Acht. Die Aufteilung des Rings 8 in Unter¬ ringen I, II und III ist dergestalt, dass jeder Unterring I bzw. II bzw. III eine aktive Zone 7' bzw. 7 bzw. 7" mit einer zugehörigen vollständigen Gruppe 2', 3' 5', 6' bzw. 2, 3, 5, 6 bzw. 2", 3", 5", 6" von ungleichnamigen Strom- und Sensor-Anschlusskontakten seitlich umgibt. Wie aus der Fig. 5 ersichtlich, wechseln sich in der Nähe der Strom- und Sensor-Anschlusskontakte P- und N~Schichten gegenseitig ab, so dass das Hallelement 1 dort einen "Sandwich"-Aufbau besitzt. Dabei sind alle aktiven Zonen 7, 7' und 7" tief im Innern des Hall- elementes 1 miteinander verbunden. Dieser "Sandwich"-Aufbau hat den Vorteil, dass die Empfindlichkeit der Dicke der aktiven Zone 7 in Abhängigkeit einer am Ringanschluss R anliegenden elektrischen Spannung um einen Faktor m grösser ist als bei einem Hallelement 1 ohne Zwischenstege, wenn m die Anzahl der Unterringe bezeichnet. Die Figuren 6 und 7 zeigen die Draufsicht und einen vertikalen Quer¬ schnitt einer ersten Variante 16 und einer zweiten Variante 17 eines jeweils im Thermomigration-Verfahren hergestellten Sperrschicht- Feldeffekttransistors.
    [0049] Beide Varianten 16 und 17 unterscheiden sich dadurch, dass bei der ersten Variante 16 ein "Source"-Anschlusskontakt 18 in der Deckplatte 9 und ein "Drain"-Anschlusskontakt 19 in der Bodenplatte 10 angeord¬ net ist, während bei der zweiten Variante 17 der "Source"-Anschluss- kontakt 18 und der "Drain"-Anschlusskontakt 19 beide in der Deck¬ platte 9 angeordnet sind. Der Aufbau der ersten Variante 16 ist ähnlich wie derjenige des in den Figuren 3 und 4 dargestellten Hai l- elementes 1, in dem die Sensor-Anschlusskontakte 5 und 6 fehlen und die Strom-Anschlusskontakte 2 und 3 durch die "Source"- und "Drain"-Anschlusskontakte 18 und 19 ersetzt sind. Der Aufbau der zweiten Variante 17 ist ähnlich wie derjenige des in den Figuren 3 und 4 dargestellten Hal.lelementes 1, in dem die Strom-Anschluss¬ kontakte 2 und 3 fehlen und die Sensor-Anschlusskontakte 5 und 6 durch die "Source"- und "Drain"-Anschlusskontakte 18 und 19 ersetzt sind. In beiden Varianten 16 und 17 ist der Ringanschluss mit G bezeichnet und stellt jeweils den "Gate"-Anschluss des Sperrschicht- Feldeffektransistors dar.
    [0050] Wie ein Vergleich der Figuren 3 und 4 einerseits und der Figuren 6 und 7 anderseits zeigt, sind die dort dargestellten Bauelemente, nämlich ein Hallelement und ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, ähnlich aufgebaut, so dass es ohne weiteres möglich ist, beide Bauele¬ mentearten, die beide je einen erweiterten Ring 8;9; 10 besitzen, in einer einzigen integrierten Schaltung mit Hilfe des Ther omigra- tion-Verfahrens einzubauen zwecks Realisierung der in der Fig. 18 dargestellten Schaltung. Der erweiterte Ring 8;9; 10 ist dabei für beide Bauelementearten gleich aufgebaut.
    [0051] Die Figuren 10 und 11 zeigen die Draufsicht und einen vertikalen Querschnitt einer ersten praktischen Ausführung des in den Figuren 8 und 9 dargestellen Hallelementes 1. Das Hallelement 1 ist z.B. aus einer Schicht 20, die aus N~-Material besteht und die auf einem aus N-Material bestehenden Substrat 12 aufgewachsen ist, hergestellt. Die Schicht 20 besitzt ausserhalb des erweiterten Ringes 11 einen in ihrer Oberfläche angeordneten Substrat-Anschlusskontakt 13 aus stark mit Frerπdatomen. dotiertem Material vom gleichen Material leit¬ fähigkeitstyp N wie die Schicht 20, das Substrat 12 und die aktive Zone 7 des Hallelementes 1. Die aktive Zone 7 besteht hier aus N~- Material der Schicht 20. Der Substrat-Anschlusskontakt 13 besitzt einen Substratanschluss SUB. Der Aufbau des Hallelementes 1 ist ähnlich wie derjenige, der in den Figuren 8 und 9 dargestellt ist mit dem Unterschied, dass der Ring 8 aus einer Oberflächenschicht aus P-Material besteht, die rund herum auf einem ringförmigen Träger 21 aus Siliziumoxyd oder Polysilizium aufgetragen ist. Die Oberflächen¬ schicht 8 aus P-Material fehlt auf dem Träger 21 nur zur Oberfläche der integrierten Schaltung hin. Der ringförmige Träger 21 und die zu ihm gehörende Oberflächenschicht 8 durchqueren die Schicht 20 durch¬ gehend von deren Oberfläche bis zum elektrischen Kontakt mit dem Substrat 12, in dem sie sogar eindringen können. Der ringförmige Träger 21 mit seiner Oberflächenschicht 8 wird z.B. mit Hilfe eines "Tiefen Graben"-Aetzverfahrens ("anisotropic trench etching") herge¬ stellt, welches in der Druckschrift "Electronics- Week, July 23, 1984, Seiten 123 bis 126, 1 MB Memories dernand new design choices, White, Armstrong and Rao" beschrieben ist. Die Bodenplatte 10 befindet sich als vergrabene Schicht ("burried layer") an der Grenze zwischen der Schicht 20 und dem Substrat 12 und hat elektrischen Kontakt mit der Oberflächenschicht 8, die ebenfalls elektrischen Kontakt zur Deckplatte 9 besitzt.
    [0052] Die Figuren 12 und 13 zeigen die Draufsicht und einen vertikalen Querschnitt eines im "Tiefen Graben"-Aetzverfahren hergestellten Sperrschicht-Feldeffektransistors. Der Aufbau ist ähnlich wie der¬ jenige des in den Figuren 10 und 11 dargestellten Hallelementes 1 mit dem Unterschied, dass anstelle der fünf Anschlusskontakte 2 bis 6 nur mehr zwei Anschlusskontakte, nämlich ein "Source"- und ein "Drain"-Anschlusskontakt 18 und 19 vorhanden sind. Der Ringan¬ schluss ist hier mit G bezeichnet und bildet den "Gate"-Anschluss des Sperrschicht-Feldeffekttransistors. Wie ein Vergleich der Figu- ren 10 und 11 einerseits und der Figuren 12 und 13 anderseits zeigt, sind die dort dargestellten Bauelemente, nämlich ein Hallelement und ein Sperrschicht-Feldeffektransistor, ähnlich aufgebaut, so
    [0053] ./. dass es ohne weiteres möglich ist, beide Bauelementearten, die beide je einen erweiterten Ring 8;9;10 besitzen, in einer einzigen inte¬ grierten Schaltung mit Hilfe eines "Tiefen Graben'Αetzverfahrens einzubauen zwecks Realisierung der in der Fig. 18 dargestellten Schaltung. Der erweiterte Ring 8;9; 10 ist auch hier für beide Bauele¬ mentearten gleich aufgebaut.
    [0054] Die Figuren 14 und 15 zeigen einen horizontalen und einen vertikalen Querschnitt einer zweiten praktischen Ausführung des in den Figuren
    [0055] 10 8 und 9 dargestellten Hallelementes 1. Da ein tiefer und dünner rechtförmiger Träger 21 gemäss den Figuren 12 und 13 nur schwierig herstellbar ist, stellt diese zweite Ausführung eine verbesserte Variante der ersten Ausführung dar. Die Fig. 14 ist die Wiedergabe eines parallel zur Oberfläche des Hallelementes 1 verlaufenden Quer-
    [0056] 15. Schnittes des Hallelementes 1, der unmittelbar unterhalb der Deck¬ platte 9 verläuft (siehe Fig. 15). Im Vergleich zur Fig. 8 ist die Fig. 14 um 90° verdreht dargestellt, so dass die fünf Strom- und Sensor-Anschlusskontakte 2 bis 6 nicht in einer annähernd geraden Linie nebeneinander, sondern in einer annähernd geraden Linie über-
    [0057] 20 einander angeordnet dargestellt sind, was keinen Einfluss auf die Funktion des Hallelementes 1 hat. Abgesehen von der Anzahl Strom- und Sensor-Anschlusskontakte 2 bis 6, die hier gleich fünf ist, hat das in den Figuren 14 und 15 dargestellte Hallelement 1 einen ähnlichen Aufbau wie das in den Figuren 3 und 4 dargestellte Hai l-
    [0058] 25 element 1. Auch hier ist das Hallelement 1 aus einem Substrat 12 hergestellt, das aus N~-Material besteht, so dass die aktive Zone 7 des Hallelementes 1 ebenfalls aus N -Material ist. Im Unterschied zu dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Hallelement 1 besteht der als rechteckförmig ausgebildete Ring 8 hier nur aus zwei dia et-
    [0059] 30 ral gegenüberliegenden Seiten, die je aus einer Oberflächenschicht 8a bzw. 8b aus P-Material gebildet sind, die die seitlichen Innenflächen je eines z.B. rechteckförmigen Luftschachtes 22a bzw. 22b vollständig und durchgehend bedecken. Der Buchstabe A bezeichnet in den Figuren 14 und 15 Luft ("/ir"). Die beiden Luftschächte 22a und 22b durchque-
    [0060] 35 ren das Substrat 12, aus dem das Hallelement 1 und die integrierte Schaltung hergestellt ist, vollständig durchgehend von der Oberfläche
    [0061] ./. bis zur Bodenfläche. Die Oberflächenschichten 8a und 8b werden z.B. durch die Diffusion von Gas erzeugt, das an den Grenzflächen zwischen Luft und Substrat 12 in das Substratmaterial eindringt und dort die Oberflächenschichten 8a und 8b erzeugt. Die Oberflächenschichten 8a und 8b, die Deckplatte 9 und die Bodenplatte 10 haben alle elektri¬ schen Kontakt zueinander und bilden zusammen eine durchgehende Flä¬ che, die die aktive Zone 7 des Hallelementes 1 möglichst vollständig nach oben, nach unten und nach zwei Seiten hin umgibt. Wenn die beiden Seiten des Ringes 8, wie in den Figuren 14 und 15 dargestellt, 0 parallel zur Verbindungslinie der Mittelpunkte der Strom- und Sensor- Anschlusskontakte 2 bis 6 verlaufen, ist die durchgehende Fläche maximal und seitlich nur zu den relativ kurzen Stirnseiten hin offen. Die Oberflächenschichten 8a und 8b, die Deckplatte 9 und die Boden¬ platte 10 sind alle vom gleichen Material leitfähigkeitstyp, nämlich 5 vom Typ P, und vom entgegengesetzten Material leitfähigkeitstyp wie die aktive Zone 7 des Hallelementes 1 und das Substrat 12, die beide, wie bereits erwähnt, aus N"-Material bestehen. Der durchgehende P/N-Uebergang zwischen den Oberflächenschichten 8a und 8b, der Deck¬ platte 9 und der Bodenplatte 10 einerseits und der aktiven Zone 7 des 0 Hallelementes 1 anderseits bildet eine Sperrschicht, die die aktive Zone 7 vollständig umgibt, ausser seitlich zu den beiden kurzen Stirnseiten des Ringes 8 hin.
    [0062] Um den Nachteil zu vermeiden, dass die durchgehende Fläche und die 25 Sperrschicht zur Stirnseite hin offen sind, kann der rechteckförmig ausgebildete Ring 8 zur Stirnseite hin erweitert werden (siehe Fig. 16). Er besteht dann aus mindestens vier Oberflächenschichten 8a, 8b, 8j und 8k, von denen je zwei und zwei diametral gegenüberliegen und die die seitlichen Innenflächen je eines Luftschachtes 22a, 22b, 30 22j bzw. 22k vollständig und durchgehend bedecken, wobei die Luft¬ schächte 22a, 22b, 22j und 22k das Substrat 12, aus dem das Hallele- ment 1 hergestellt ist, vollständig durchgehend von der Oberfläche bis zur Bodenfläche durchqueren. Die Oberflächenschichten 8a, 8b, 8j und 8k, die Deckplatte 9 und die Bodenplatte 10 haben alle elektri- 35 sehen Kontakt zueinander und bilden zusammen eine durchgehende Flä¬ che, die die aktive Zone 7 des Hallelementes 1 möglichst vollstän-
    [0063] ./. dig nach allen Richtungen hin umgibt. Die Oberflächenschichten 8a, 8b, 8j und 8k, die Deckplatte 9 und die Bodenplatte 10 sind alle vom gleichen Material leitfähigkeitstyp, z.B. P, und alle vom entgegen¬ gesetzten Material leitfähigkeitstyp wie die aktive Zone 7 des Hallele- mentes 1, die ja aus N-Material besteht. Die Luftschächte 22j und 22k mit ihren Oberflächenschichten 8j und 8k sind in der Fig. 16 darge¬ stellt.
    [0064] Wenn die Luftschächte 22a, 22b, 22j oder 22k zumindest teilweise sehr lang sind, besteht die Gefahr, dass das Hallelement 1 sich unter den Einfluss eines äusseren mechanischen Druckes durchbiegt oder sogar bricht. Um dies zu vermeiden, müssen mindestens diese langen Luftschächte durch Zwischenstege in z.B. parallelen Teilluft- schächte unterteilt werden. In der Fig. 16 wurde angenommen, dass die beiden diametral gegenüberliegenden Luftschächte, deren Längs¬ richtung parallel zur Verbindungslinie der Mittelpunkte der Anschluss¬ kontakte 2 bis 6 verläuft, lang sind und durch Zwischenstege, die senkrecht zu dieser Verbindungslinie verlaufen, in je eine z.B. gleiche Anzahl vier annähernd gleich grosser Tei l luftschächte 22a, 22c, 22e und 22g bzw. 22b, 22d, 22f und 22h unterteilt sind. Die seitlichen Innenflächen der Teil luftschächte 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g und 12h sind vollständig mit je einer durchgehenden Ober¬ flächenschicht 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g bzw. 8h bedeckt. Die Figu¬ ren 16 und 15 zeigen einen horizontalen und einen vertikalen Quer- schnitt einer dritten praktischen Ausführung des in den Figuren 8 und 9 dargestellten Hallelementes 1. Diese dritte Ausführung ist eine verbesserte Variante der zweiten Ausführung. Die Fig. 16 stellt einen parallel zur Oberfläche des Hallelementes 1 verlaufenden Querschnitt des Hallelementes 1 dar, der unmittelbar unterhalb der Deckplatte 9 verläuft (siehe Fig. 15). Wenn alle Zwischenstege höchstens zweimal so breit sind wie die Oberflächenschichten tief sind, so bestehen die Zwischenstege ausschliesslich aus zwei Oberflächenschichten zweier benachbarten Tei l luftschächte und alle Oberflächenschichten 8a, 8c, 8e, 8g bzw. 8b, 8d, 8f, 8h eines gemeinsamen Luftschachtes haben jeweils alle elektrischen Kontakt zueinander. Auch die Oberflächen¬ schichten 8a bis 8h, die Deckplatte 9, die Bodenplatte 10 und, falls stirnseitige Luftschächte 22j und 22k vorhanden sind, die Oberflächen-
    [0065] ./. schichten 8j und 8k besitzen alle elektrischen Kontakt zueinander. Sie bilden zusammen eine durchgehende Fläche, die die aktive Zone 7 des Hallelementes 1 möglichst vollständig mindestens nach oben, nach unten und nach zwei Seiten hin umgibt, und sie sind alle vom gleichen Material leitfähigkeitstyp P und vom entgegengesetzten Material leit¬ fähigkeitstyp wie die aktive Zone 7 des Hallelementes 1, die ja aus N -Material besteht.
    [0066] Die in den Figuren 8 bis 11 und 14 bis 16 dargestellten Hallelemente 1 mit fünf Strom- bzw. Sensor-Anschlüsse C,, C«, C" , S. und S sind extern wie in der Fig. 17 dargestellt zu beschälten. Ein zu messendes Magnetfeld H.. wirkt parallel zur Oberfläche der das Hai l- element 1 enthaltenden integrierten Schaltung. Ein Pol VDD einer Speisespannung VDD Vςς ist über einen Stromgenerator 23 mit dem zentralen Stromanschluss C. verbunden, während der andere Pol VςS der Speisespannung VDD Vss über je einen Widerstand R. bzw. R„ auf die beiden andern Stromanschlüsse C'2 bzw. C"2 geführt ist. Der vom Stromgenerator 23 gelieferte Speisestrom i des Hai lelementes 1 halbiert sich innerhalb des Hallelementes 1 und verlässt jeweils als Strom i/2 über die beiden Widerstände R. bzw. R2 das Hallele¬ ment 1.
    [0067] Die in der Fig. 18 dargestellte Einrichtung enthält neben dem Hall¬ element 1 und dem Stromgenerator 23 noch eine Regelungsschaltung 24; 25; 26; 27. In der Fig. 18 wurde angenommen, dass das Hallele¬ ment 1 eines der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Hallelemente 1 ist, welche alle neben dem Ringanschluss R nur vier Strom- bzw. Sensoranschlüsse C,, C«, S. und S besitzen. In diesem Fall sind die beiden Stromanschlüsse C. und C~ mit je einem Pol des Stromgenera- tors 23 verbunden. Ist dagegen das in der Fig. 18 verwendete Hall¬ element 1 eines der in den Figuren 8 bis 11 oder 14 bis 16 dargestell¬ ten Hallelemente 1, welche alle neben dem Ringanschluss R noch fünf Strom- bzw. Sensoranschlüsse C,, C'2, C"2, S. und S2 besitzen, so ist, wie bereits erwähnt, die in der Fig. 17 dargestellte Beschal- tung des Hallelementes 1 zu verwenden. In beiden Fällen liegt einer der beiden Sensoranschlüsse, z.B. der zweite Sensoranschluss S2, an Masse, während der andere erste Sensoranschluss S. den Ausgang
    [0068] ./. S x des Hallelementes 1 bildet.
    [0069] In allen beschriebenen Hallelementen 1 bildet der P/N-Uebergang zwischen dem erweiterten Ring 11 und der aktiven Zone 7 des Hai l- elementes 1 eine Sperrschicht 11;7, die die aktive Zone 7 des Hai l- elementes 1 möglichst vollständig umgibt, und deren Tiefe mit Hilfe einer am Ringanschluss R anliegenden elektrischen Spannung gesteuert werden kann. Die Sperrschicht 11;7 isoliert und schützt vollständig die aktive Zone 7 des Hallelementes 1, so dass das Vorhandensein einer Isolierschicht aus Siliziumoxyd überflüssig ist. Die immer in einer solchen Isolierschicht aus Siliziumoxyd enthaltene variab- le Anzahl von Ladungsträgern ist demnach hier nicht vorhanden und kann daher auch die Langzeitstabilität des Hallelementes 1 nicht negativ beeinflussen. Die schützende Wirkung der Sperrschicht 11;7 ist um so stärker, je vollständiger sie die aktive Zone 7 des Hall¬ elementes 1 nach möglichst allen Richtungen hin umgibt, und hängt ausserdem von ihrer Tiefe ab. Diese Tiefe sollte trotz Vorhandensein von möglichen Störeinflüssen, z.B. von veränderlichen Temperaturein¬ flüssen, immer konstant sein. Um dies zu erreichen, ist das Hallele- ment 1 wie in der Fig. 18 dargestellt mit einer Regelungsschaltung 24; 25; 26; 27 zu beschälten, welche die Tiefe der Sperrschicht 11;7 auf einen konstanten Wert regelt.
    [0070] In der Fig. 18 ist der Ausgang S. des Hallelementes 1 über die Rege- lungsschaltung 24;25;26;27 mit dem Ringanschluss R des Hallelementes 1 verbunden. Die Regelungsschaltung 24;25;26;27 besteht mindestens aus einem Istwertaufbereiter 24, einem Sollwertgeber 25 und einem So11wert/Istwert-Differenzgeber 26;27. Der Ausgang S . des Hailele¬ mentes 1 ist über den Istwertaufbereiter 24 mit einem ersten Eingang Z des Sollwert/Istwert-Differenzgebers 26;27 und der Ausgang des Sollwertgebers 25 direkt mit dessem zweiten Eingang E2 verbunden. Der Ausgang des Sollwert/Istwert-Differenzgebers 26;27 ist auf den Ringanschluss R des Hallelementes 1 geführt. Der Istwertaufbereiter 24 ist im einfachsten Fall ein Absolutwertbildner, z.B. ein Gleich- richter, dessen Ausgangsspannung immer gleich dem Absolutwert seiner Eingangsspannung ist.
    [0071] ./. In der Fig. 18 besteht der Absolutwertbildner und damit auch der Istwertaufbereiter 24 mindestens aus einem von einem Steuergerät 28 gesteuerten Umschalter 29 und aus einem invertierenden Verstärker 30. In der Fig. 18 besitzt der Istwertaufbereiter 24 noch zur Entkopp- lung einen Spannungsfolger 31, der fakultativ vorhanden ist. Inner¬ halb des Istwertaufbereiters 24 ist dessen Eingang direkt oder über den Spannungsfolger 31 je nach Stellung des Umschalters 29 durch diesen Umschalter 29 entweder mit dem Eingang oder mit dem Ausgang des invertierenden Verstärkers 30 verbunden. Der Ausgang des inver- tierenden Verstärkers 30 bildet den Ausgang des Istwertaufbereiters 24 und ist demnach auf den ersten Eingang E1 des Sol Iwert/Istwert- Differenzgebers 26;27 geführt. Der Eingang des Istwertaufbereiters 24 ist ausserdem noch direkt oder über den Spannungsfolger 31 mit dem Eingang des Steuergerätes 28 verbunden, dessen Ausgang auf den Steuer- eingang des Umschalters 29 geführt ist. Das Steuergerät 28 besteht z.B. aus nur einem Komparator und detektiert die Polarität der Ein¬ gangsspannung des Istwertaufbereiters 24 und damit auch die Polarität der Ausgangsspannung V,, des' Hai lelementes 1. Je nach Polarität dieser Ausgangsspannung V„ überbrückt oder nimmt der Umschalter 29 den inver- tierenden Verstärker 30 in Betrieb. Mit andern Worten: Ist die Aus¬ gangsspannung VH des Hallelementes 1 positiv, wird sie direkt ohne Vorzeichen-Invertierung, und ist sie negativ, wird sie durch den invertierenden Verstärker 30 mit Vorzeichen-Invertierung jeweils an den ersten Eingang E, des Sollwert/Istwert-Differenzgebers 26;27 weitergeleitet.
    [0072] Der Sollwertgeber 25 besteht z.B. aus der Reihenschaltung eines Vorwiderstandes R' und der "Source-Drain"-Strecke eines Feldeffekt¬ transistors 32, deren gemeinsamer Pol den Ausgang des Sollwertgebers 25 bildet und somit mit dem zweiten Eingang E« des So11wert/Istwert- Differenzgebers 26;27 verbunden ist. Der andere Pol des Vorwider¬ standes R' liegt an einer ersten Referenzspannung VRe_e _,, der "Gate"- Anschluss des Feldeffekttransistors 32 an einer zweiten Referenz¬ spannung V„ - 2 uncl der andere Po1 der "Source-Drain"-Strecke des Feldeffektransistors 32 an einer dritten Referenzspannung VR - .,.
    [0073] './. Der Sol Iwert/Istwert-Differenzgeber 26;27 besteht mindestens aus einem Differenzverstärker 26, der z.B. auf an sich bekannte Art mit Hilfe eines Operationsverstärkers 33 aufgebaut ist. In diesem Fall ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 33 über einen ersten Eingangswiderstand R3 mit dem ersten Eingang E,, über einen zweiten Eingangswiderstand R. mit dem zweiten Eingang E und über einen Rückkopplungswiderstand Rg mit dem Ausgang F je¬ weils des Differenzverstärkers 26 verbunden. Der Ausgang F ist gleich¬ zeitig auch der Ausgang des Operationsverstärkers 33. Der nichtin- vertierende Eingang des Operationsverstärkers 33 liegt über einen dritten Eingang E3 des Differenzverstärkers 26 an einer vierten Referenzspannung VR - ^. Der Differenzverstärker 26 ist z.B. als invertierender Verstärker beschaltet. In diesem Fall muss ihm ein weiterer Verstärker 27 in Kaskade nachgeschaltet werden z.B. zwecks Rückgängigmachung der durch den Differenzverstärker 26 verursachten Invertierung. Die beiden Verstärker 27 und 30 besitzen z.B. je einen Verstärkungsfaktor -1 und sind z.B. ebenfalls mit je einem Operations¬ verstärker auf an sich bekannte Art aufgebaut.
    [0074] Der' Feldeffekttransistor 32 dient als temperaturempfindliches Ele¬ ment, dessen Sättigungs ("Pinch off") -Strom umgekehrt proportional dem Quadrat der Umgebungstemperatur des Feldeffekttransistors 32 und auch des Hallelementes 1 ist, da diese beiden Bauelemente, dank ihres Einbaus in einer integrierten Schaltung, räumlich sehr nahe beieinan- der liegen. Dies zeigt wiederum, wie wichtig es ist, dass sowohl das Hallelement 1 als auch Transistoren wie z.B. der Feldeffekttransistor 32, im gleichen Halbleiter-Kristall mit Hilfe der gleichen Technolo¬ gie integrierbar sind. Die Regelungsschaltung 24;25;26;27 regelt die Dicke der Sperrschicht 11;7, indem sie die Ausgangsspannung des Hallelementes 1 als Istwert mit dem vom Sollwertgeber 25 gelieferten Sollwert vergleicht und eine so erhaltene Sollwert/Istwert-Differenz verstärkt auf den Ringanschluss R des Hallelementes 1 gibt. Da der Feldeffekttransistor 32 ein temperaturempfindliches Bauelement ist, ist auch der Sollwert temperaturabhängig. Dies gestattet es der Regelungsschaltung 24;25; 26;27, in diesem Fall die Dicke der Sperr¬ schicht 11;7 auf einen Wert zu regeln, der es ermöglicht, dass die Magnetfeld-Empfindlichkeit des Hallelementes 1 unabhängig von der
    [0075] ./. Temperatur bleibt. Ist das Hallelement 1 von sich aus genügend tempe¬ raturstabil, so ist der Feldeffekttransistor 32 überflüssig und kann weggelassen werden.
    [0076] Der Umschalter 29 ist in der Fig. 18 als Relaiskontakt dargestellt. In der Praxis ist er jedoch in der Regel ein steuerbarer Halbleiter- Umschalter, der z.B. in CMOS-Technologie hergestellt ist. Die in der Regelschaltung 24;25;26;27 verwendeten Transistoren, wie der Feldef¬ fekttransistor 32, haben z.B. einen wie in den Figuren 6 und 7 oder 12 und 13 dargestellten Aufbau.
    [0077] Die in der Fig. 18 dargestellte Schaltung hat ausserdem noch den Vorteil, die Kennlinie V,, = f(B) des Hallelementes 1 bei gegebenem Speisestrom i zu linearisieren, wobei sowohl geradpaarige als auch ungeradpaarige Nichtlinearitäten behoben werden. Die Definition der Nichtlinearität ist aus der Fig. 19 ersichtlich, in der eine nichtlineare Kennlinie VH = f(B) für einen gegebenen Speisestrom i dargestellt ist. Die linearisierte Kennlinie ist in der Fig. 19 gestrichelt wiedergegeben. Bei einem bestimmten Wert B = B. der Induktion B besitzt die nichtlineare Kennlinie der Hallspannung V„ einen Arbeitspunkt X, dessen Ordinate gleich V„(B,) ist, während der entsprechende Arbeitspunkt Y auf der linearen Kennlinie die
    [0078] Ordinate • B, hat, wobei der Faktor aVH "| sowohl
    [0079] 3B B = 0 3B die Steigung der nichtlinearen als auch die Steigung ider.linearen Kennlinie im Nullpunkt B = 0 darstellt. Die Nichtlinearität 8(8..) beim Wert B = B. ist definiert als Differenz der Ordinaten der beiden Arbeitspunkte Y und X. D.h.:
    [0080]
    [0081] Die Nichtlinearität ist vom geradpaarigen Typ, wenn:
    [0082] Z (siehe Fig. 20).
    [0083] Die Nichtlinearität ist vom ungeradpaarigen Typ, wenn:
    [0084] ./. i^ x ) = - £( -13 ^ ( siehe Fig. 21 ) .
    [0085] Die in der Fig. 19 dargestellte Nichtlinearität ist vom ungeradpaari- gen Typ.
    [0086] Ob die Nichtlinearität eines gegebenen Hallelementes 1 vom gerad¬ paarigen oder vom ungeradpaarigen Typ ist, muss vor dem Einbau des Hallelementes 1 in der in der Fig. 18 dargestellten Schaltung mit Hilfe z.B. einer Messung ermittelt werden. Die nachfolgende Funktions- beschreibung gilt unter der Annahme, dass den positiven Werten der Induktion B auch positive Werte der Ausgangsspannung V„ des Hallele¬ mentes 1 und den negativen Werten der Induktion B auch negative Werte der Ausgangsspannung V,, entsprechen (siehe Fig. 19).
    [0087] Bei einem Hallelement vom geradpaarigen Typ ist in der Regel die Nichtlinearität £(B) in Funktion der Induktion B entweder immer positiv, wie in der Fig. 20 als nichtgestrichelte Kennlinie darge¬ stellt, oder immer negativ, wie in der Fig. 20 als gestrichelte
    [0088] Kennlinie dargestellt.
    [0089] Bei einem Hallelement vom ungeradpaarigen Typ ist in der Regel die Nichtlinearität £(B) in Funktion der Induktion B entweder, wie in der Fig. 21 als nichtgestrichelte Kennlinie dargestellt, für positive Werte von B positiv und für negative Werte von B negativ, oder umgekehrt, wie in der Fig. 21 als gestrichelte Kennlinie dar¬ gestellt, für positive Werte von B negativ und für negative Werte von B positiv.
    [0090] Ist das Hallelement 1 in idealer Weise vom geradpaarigen Typ, dann wird der vierte Eingang E. des Differenzverstärkers 26 nicht benutzt, d.h. die in der Fig. 18 gestrichelt gezeichnete fakultative Verbin¬ dung zwischen Ausgang des Spannungsfolgers 31 und vierten Eingang E4 des Differenzverstärkers 26 fällt weg und nur der Absolutwert der Ausgangsspannung V„ des Hallelementes 1 erreicht über den Ist- wertaufbereiter 24 den ersten Eingang E. des Differenzverstärkers 26.
    [0091] Besitzt in diesem Fall das Hallelement 1 eine ähnliche Kennlinie wie diejenige, die in der Fig. 20 nichtgestrichelt dargestellt ist, und unter der Voraussetzung, dass der Spannungsfolger 31 einen po¬ sitiven Verstärkungsfaktor +1 besitzt, muss der Verstärker 27 ein invertierender Verstärker sein, so dass die Kaskadenschaltung 24; 26;27 keine Spannungsinversion verursacht. Besitzt das Hallelement 1 dagegen eine ähnliche Kennlinie wie diejenige, die in der Fig. 20 gestrichelt dargestellt ist, muss der Verstärker 27 unter gleichen Voraussetzungen ein nichtinvertierender Verstärker sein, so dass die Kaskadenschaltung 24;26;27 eine Spannungsinversion verursacht. Ist das Hallelement 1 in idealer Weise vom ungeradpaarigen Typ, dann können das Steuergerät 28, der Umschalter 29 und der invertieren¬ de Verstärker 30 weggelassen werden, d.h. es wird kein Absolutwert der Ausgangsspannung V„ des Hallelementes 1 gebildet und diese Aus¬ gangsspannung V„ erreicht über den Spannungsfolger 31 und einer fakultativ vorhandenen, daher in der Fig. 18 gestrichelt dargestell¬ ten Verbindung einen vierten Eingang E- des Differenzverstärkers 26. Im letzteren ist der vierte Eingang E. über einen dritten Eingangswi¬ derstand Rg mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 33 verbunden.
    [0092] Besitzt in diesem Fall das Hallelement 1 eine ähnliche Kennlinie wie diejenige, die in der Fig. 21 nichtgestrichelt dargestellt ist, und wieder unter der Voraussetzung, dass der Spannungsfolger 31 einen positiven Verstärkungsfaktor +1 besitzt, muss der Verstärker 27 ein invertierender Verstärker sein, so dass die Kaskadenschaltung 31;26;27 keine Spannungsinversion verursacht. Besitzt das Hallele¬ ment 1 dagegen eine ähnliche Kennlinie wie diejenige, die in der Fig. 21 gestrichelt dargestellt ist, muss der Verstärker 27 unter gleichen Voraussetzungen ein nichtinvertierender Verstärker sein, so dass die Kaskadenschaltung 31;26;27 eine Spannungsinversion ver¬ ursacht.
    [0093] Die in den Figuren 20 und 21 dargestellten Kennlinien sind ideale Kennlinien. -In der Praxis sind diese Kennlinien nicht so symmetrisch zur £(B)-Achse bzw. zum Nullpunkt angeordnet, d.h., in der Praxis ist in der Regel immer eine Mischung von Gleichpaarigkeit und Un-
    [0094] ./. gleichpaarigkeit vorhanden. In diesem Fall muss die Ausgangsspannung V„ des Hallelementes 1 sowohl den ersten Eingang E. über den Istwert¬ aufbereiter 24, als auch den vierten Eingang E- über den Spannungsfol¬ ger 31 erreichen. Da die Unsymmetrien bei gleichpaarigen und bei ungleichpaarigen Nichtlinearitäten nicht unbedingt gleich gross sind, können sie durch die Wahl unterschiedlicher Werte der Eingangs¬ widerstände R3 und Rg ungleich stark korrigiert werden.Der erste und der vierte Eingang E. und E. des Differenzverstärkers 26 bilden somit je einen von zwei Istwerteingängen. Am vierten Eingang E. erscheint immer die Ausgangsspannung V„ des Hallelementes 1 mit ihrem wirkli¬ chen Vorzeichen, während am ersten Eingang E, des Differenzverstär¬ kers 26 immer der Absolutwert dieser Ausgangsspannung vorhanden ist. Die Summe der beiden an den beiden Eingängen E. und E, des Differenz¬ verstärkers 26 anliegenden Spannungen bildet hier den Istwert der Regelungsschaltung 24;25;26;27.
    [0095] Kurz zusammengefasst kann die Arbeitsweise der in der Fig. 18 dar¬ gestellten Schaltung wie folgt beschrieben werden: Die Referenzspannungen VRef , VRef>2, VRefj3 und VRef>4 werden so gewählt, dass am Eingang des Verstärkers 27 ein positiver Soll¬ wert ansteht, wenn der Verstärker 27 invertierend ist, und umgekehrt ein negativer Sollwert ansteht, wenn der Verstärker 27 nichtinver- tierend ist, so dass in beiden Fällen am Steuereingang M des Hall¬ elementes 1 eine negative Grundspannung als Sollwert ansteht. Ist das mittels des Hallelementes 1 gemessene Magnetfeld z.B. ein sinusförmiges Wechselmagnetfeld, so ist die Ausgangsspannung V„ des Hallelementes 1 eine sinusförmige Wechselspannung. Bei einem Hallelement 1 mit idealer ungeradpaariger.Nichtlineari¬ tät wird diese sinusförmige WechselSpannung V„ unverändert dem vier- ten Eingang E. des Differenzverstärkers 26 als Istwert zugeführt und anschliessend, je nach positivem oder negativem Verstärkungsfak¬ tor des Verstärkers 27 dem konstanten Sollwert mit oder ohne Inver¬ sion so überlagert, dass die negative Spannung am Steuereingang M des Hallelementes 1 in der richtigen Richtung weniger bzw. mehr negativ wird, wobei die Gesamtspannung am Steuereingang M auf jeden Fall negativ bleiben muss.
    [0096] ./. Bei einem Hallelement 1 mit idealer geradpaariger Nichtlinearität geschieht dasselbe, nur dass diesmal die negativen Halbwellen der Ausgangsspannung V,, des Hallelementes 1 mit Hilfe des Umschalters 29 und des invertierenden Verstärkers 30 gleichgerichtet werden und die so gleichgerichtete Ausgangsspannung V,. als Istwert dem ersten Eingang E1 des Differenzverstärkers 26 zugeführt wird. Ist der Verstärkungsfaktor des invertierenden Verstärkers 30 gleich -1, dann sind die gleichgerichteten negativen Halbwellen gleich gross wie die positven Halbwellen, andernfalls ungleichgross. Bei einem Hallelement 1 mit unsymmetrischen Nichtlinearitäten, d.h. wenn eine Kombination geradpaariger und ungeradpaariger Nichtlineari¬ täten vorhanden ist, muss auch der Istwert eine Kombination der beiden obenerwähnten Istwerte sein, d.h. die unveränderte Ausgangs¬ spannung VH muss dem Eingang E. und die gleichgerichte Ausgangs- Spannung VH muss dem Eingang E. gleichzeitig zugeführt werden. In diesem Fall wird die Summe der gewichteten Ausgangsspannung V und der gewichteten gleichgerichteten Ausgangsspannung V,, als Gesamt¬ istwert wirksam, wobei die Werte der Eingangswiderstände Rg bzw. R3 jeweils den Gewichtsfaktor bilden.
    [0097] Da bei einem gegebenen Magnetfeld die Empfindlichkeit und damit auch die Ausgangsspannung VH des Hallelementes 1 annähernd umge¬ kehrt proportional zur Dicke der Sperrschicht ist und diese Dicke anderseits proportional der Spannung ist, die am Steuereingang M ansteht, wird die Nichtlinearität der Ausgangsspannung VH korrigiert, wenn die Spannung am Steuereingang M des Hallelementes 1 regelungs¬ technisch in der richtigen Richtung verändert wird.
    权利要求:
    ClaimsP A T E N T A N S P R U E C H E
    1. Einrichtung mit einem in einer integrierten Schaltung integrier¬ baren Hallelement, das zwei Sensor-Anschlusskontakte und mindestens zwei Strom-Anschlusskontakte besitzt, die grösstentei Is an einer Oberfläche im Hallelement angeordnet sind, dessen aktive Zone minde¬ stens seitlich von einem Ring umgeben ist, der einen Ringanschluss besitzt und vom entgegengesetzten Material leitfähigkeitstyp ist wie die aktive Zone und die Anschlusskontakte des Hai lelementes, dadurch gekennzeichnet, dass das Hallelement (1) im Innern des Halbleiterma¬ terials vergraben ist, dass der Ring (8) durch eine Deckplatte (9) und eine Bodenplatte (10) so erweitert ist, dass der erweiterte Ring (8;9;10 bzw. 11) die aktive Zone (7) des Hallelementes (1) nach allen Richtungen hin umgibt, dass die Sensor- und Strom-Anschlusskontakte (2 bis 6) des Hallelementes (1) die Deckplatte (9) oder die Bodenplat¬ te (10) durchqueren bis zum elektrischen Kontakt mit der aktiven Zone (7) des Hallelementes (1) und dass der Ring (8), die Deckplatte (9) und die Bodenplatte (10) vom gleichen Material leitfähigkeitstyp sind und alle elektrischen Kontakt miteinander haben.
    2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (S des Hallelementes (1) über eine Regelungsschaltung (24;25;26;27) mit dem Ringanschluss (R) des Hallelementes (1) ver¬ bunden ist.
    3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsschaltung (24;25;26;27) mindestens aus einem Istwertauf¬ bereiter (24), einem Sollwertgeber (25) und einem Sollwert/Istwert- Differenzgeber (26;27) besteht.
    4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwertaufbereiter (24) ein Absolutwertbildner ist.
    5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwertaufbereiter (24) mindestens aus einem von einem Steuerge-
    ./. rät (28) gesteuerten Umschalter (29) und aus einem invertierenden Verstärker (30) besteht.
    6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (28) aus einem Komparator besteht.
    7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwertaufbereiter (24) aus einem Gleichrichter besteht.
    8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Sollwertgeber (25) aus der Reihenschaltung eines Vorwiderstandes (R*) und der "Source-Drain"-Strecke eines Feldeffekt¬ transistors (32) besteht.
    9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Sollwert/Istwert-Differenzgeber (26;27) minde¬ stens aus einem Differenzverstärker (26) besteht.
    10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (26) als invertierender Verstärker beschaltet ist und ihm ein weiterer invertierender Verstärker (27) in Kaskade nachgeschaltet ist.
    11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (26) zwei Istwerteingänge (E , EJ besitzt, wovon der erste (EJ mit dem Ausgang und der andere (EJ mit dem Eingang des Istwertaufbereiters (24) verbunden ist.
    12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass in der Regelungsschaltung (24;25;26;27) verwendete
    Transistoren (z.B. 32) ebenfalls je einen erweiterten Ring (8;9;1Q) besitzen, der gleich aufgebaut ist wie derjenige des Hallelementes (1).
    13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der erweiterte Ring (8;9;10 bzw. 11) aus einem Stück ist und der Ring (8), die Deckplatte (9) und die Bodenplatte (10) demnach aus einem gleichen Material bestehen.
    ./.
    14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Ring (8) aus stark mit Fremdatomen dotiertem Aluminium-Material besteht.
    15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensor- und Stromanschlusskontakte (2, 3, 5 und 6) in gleicher Anzahl mehrfach vorhanden sind, dass alle gleichnamigen Strom- und Sensor-Anschlusskontakte (2, 2', 2" bzw. 3, 3', 3" bzw. 5, 5', 5" bzw. 6, 61, 6") extern durch je eine elektrische Verbindung miteinan- der verbunden sind, dass der Ring (8) Zwischenstege (14, 15) besitzt, die den Ring (8) in nebeneinanderliegende Unterringe (I, II,III) unterteilen, wobei jeweils ein Zwischensteg (14, 15) zwei benachbar¬ ten Unterringen (I, II bzw. II, III) gemeinsam ist und wobei die Aufteilung des Ringes (8) in Unterringe (I, II, III) dergestalt ist, dass jeder Unterring (I, II, III) eine aktive Zone (7', 7, 7") mit einer zugehörigen vollständigen Gruppe (2', 3', 5', 6' bzw. 2, 3, 5, 6 bzw. 2", 3", 5", 6") von ungleichnamigen Strom- und Sensor-An¬ schlusskontakten seitlich umgibt.
    16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Ring (8) aus einer Oberflächenschicht besteht, die rund herum auf einem ringförmigen Träger (21) aus Siliziumoxyd oder Polysilizium aufgetragen ist, und dass die Bodenplatte (10) eine an der Grenze zwischen einem Substrat (12) und einer auf dem Substrat (12) aufgewachsenen Schicht (20) angeordnete vergrabene Schicht ist.
    17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Ring (8) rechteckförmig ist und nur aus zwei diametral gegenüberliegenden Seiten besteht, die je aus mindestens einer Oberflächenschicht, (8a bzw. 8b) gebildet sind, die die seit¬ lichen Innenflächen je eines Luftschachtes (22a bzw. 22b) vollständig und durchgehend bedecken, wobei die Luftschächte (22a, 22b) ein Substrat (12), aus dem das Hallelement (1) hergestellt ist, vollstän¬ dig durchgehend von der Oberfläche bis zur Bodenfl che durchqueren.
    18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Ring (8) rechteckförmig ist und aus mindestens
    ./. vier Oberflächenschichten (8a, 8b, 8j, 8k) besteht, von denen je zwei und zwei diametral gegenüberliegen und die die seitlichen Innenflä¬ chen je eines Luftschachtes (22a, 22b, 22j, 22k) vollständig und durchgehend bedecken, wobei die Luftschächte (22a, 22b, 22j, 22k) ein Substrat (12), aus dem das Hallelement (1) hergestellt ist, voll¬ ständig durchgehend von der Oberfläche bis zur Bodenfläche durchque¬ ren und wobei alle Oberflächenschichten (8a, 8b, 8j, 8k) elektrischen Kontakt miteinander haben.
    19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei diametral gegenüberliegende Luftschächte durch Zwischenstege in Tei l luftschächte (22a, 22c, 22e, 22g bzw. 22b, 22d, 22f, 22h) unterteilt sind, deren seitliche Innenflächen voll¬ ständig mit je einer durchgehenden Oberflächenschicht (8a, 8c, 8e, 8g, 8b, 8d, 8f bzw. 8h) bedeckt sind, dass alle Zwischenstege aus- schliesslich aus zwei Oberflächenschichten zweier benachbarter Teil¬ luftschächte bestehen und dass alle Oberflächenschichten (8a bis 8k) elektrischen Kontakt miteinander besitzen.
    20. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 in einem Leistungsmesser oder in einem Elektrizitätszähler zum Messen eines elektrischen Stromes oder zur Bildung eines Spannung/Strorn- Produktes.
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