Рассмотрим оставшиеся основные параметры дх.

Номинальное значение управляющего тока I_{1 ном} – такое значение управляющего тока, протекание которого через полупроводниковую пластину Холла, расположенную в среде неподвижного воздуха, не вызывает ее нагрева выше чем на 10–15 С температуры окружающей среды.

Номинальное значение индукции управляющего магнитного поля В_ном представляет собой то предельное значение управляющего магнитного поля, до достижения которого гарантируется заданная линейность ДХ.

У

(3.22)

дельная чувствительность_уд определяется как отношение ЭДС Холла к соответствующим ей значениям управляющего тока и индукции В_ном

М

(3.23)

агнитная чувствительность_м – отношение ЭДС Холла к значению номинальной индукции при номинальном управляющем токе

Остаточное напряжение U_ост – напряжение на холловских электродах, возникающее при протекании управляющего тока I₁ и отсутствии магнитного поля (В=0).

Причиной остаточного напряжения в первую очередь является расположение холловских электродов в неэквипотенциальных точках пластины.

При наличии температурного градиента между холловскими контактами, каждый из которых является соединением металла с полупроводниковым материалом, в цепи возникает термо–ЭДС. При разности температур между контактами 0,1 С возникает термо–ЭДС до 10–15 мкВ. В целях уменьшения градиента температур для ДХ следует применять подложки из материалов с хорошей теплопроводностью. Суммарное остаточное напряжение может составлять от единиц микровольт до десятков милливольт.

Для уменьшения остаточного напряжения применяют схемы коррекции. Простейшая компенсация проводится по схеме, показанной на рис. 3.13 а. Однако эта схема не обладает температурной стабильностью. Лучшие результаты позволяет получить схема, показанная на рис. 3.13 б.

Коррекцию остаточного напряжения также можно осуществлять при совместном использовании ДХ и операционного усилителя с дифференциальным входом.

Кроме рассмотренных способов остаточное напряжение может быть скомпенсировано также при помощи дополнительного постоянного магнитного поля, воздействующего на ДХ. Это поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом со стабильным питанием, приводит к возникновению дополнительного напряжения Холла, которое подбирается равным и противоположным по знаку остаточному напряжению.

3.3. Технология изготовления датчиков Холла

При получении полупроводниковых пластин для ДХ в настоящее время используются следующие технологии:

1. Выпиливание кристаллической пластины Холла требуемой конфигурации из монокристаллического бруска. В этом случае типовой технологический процесс состоит из следующих операций:

1) вырезка пластины. Обычно пластины вырезаются на станках с вращающимся абразивным кругом, которым режут при помощи карборундового или алмазного порошка. Из вырезанных брусков дальнейшей резкой получают прямоугольные пластины с необходимым соотношением длин сторон. В последнее время также часто применяются магнитострикционные ультразвуковые установки. Особым преимуществом этого вида установок является возможность вырезания пластин почти любых форм;

2) обработка поверхности пластин состоит из двух этапов. Первый –это механическая шлифовка и полирование, цель которых – устранение дефектов, возникших при резке пластин, и одновременно доводка толщины пластин до заданной величины. Толщина вырезанных пластин обычно бывает не менее 200–300 мкм (это обусловлено хрупкостью полупроводниковых материалов), однако конечная толщина пластин находится в пределах от 40 до 200 мкм. При меньшей толщине пластины ухудшаются основные параметры ДХ за счет увеличения рассеивания носителей заряда на дефектах поверхности и соответствующего уменьшения подвижности. Шлифовка проводится при помощи порошков – карборундовых (SiC), алундовых (Al₂O₃) либо алмазных с соответствующим диаметром зерен (от 30 до 0,1 мкм) на плитах стеклянных, металлических, а в конце – на плитах, покрытых специальными тканями.

Вторым этапом обработки поверхности является химическое травление для окончательной очистки поверхности пластин;

3) изготовление контактов к пластине. Контакты металл–полупроводниковый материал должны обладать следующими свойствами:

а) контакты должны обладать малым сопротивлением по сравнению с сопротивлением пластины датчика;

б) сопротивление контактов должно быть линейным по току;

в) холловские контакты при отсутствии магнитного поля должны находиться на эквипотенциальной поверхности.

Применяют либо непосредственное приваривание проводов к пластине при помощи пропускания импульса тока, либо вплавливание постоянных контактов в пластину в форме капель или слоев, к которым впоследствии припаиваются гибкие провода. Во втором случае материал электродов в виде фольги накладывается на пластинку или напыляется на нее через соответствующий шаблон, а затем вплавливается в вакууме либо в атмосфере защитного газа;

4) герметизация. Чаще всего полупроводниковая пластина заливается синтетической смолой.

2. Получение пластин Холла путем напыления на подложку тонких слоев полупроводниковых материалов. Такая технология позволяет получить за один цикл напыления большое число преобразователей, причем размеры активной области могут быть сделаны порядка десятых долей миллиметра. Толщина активного слоя может быть очень малой (до 1 мкм), что обусловливает высокую чувствительность. Этапы формирования структур микроминиатюрных преобразователей Холла в процессах многослойного напыления в вакууме и фотолитографии приведены на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Микроминиатюрные преобразователи Холла в процессах многослойного напыления в вакууме и фотолитографии

а – напыление в вакууме на подложку (1) сплошной пленки полупроводника (2); б – напыление пленки контактного металла в конфигурации контактных площадок и токоведущих дорожек (3) с помощью маски; в – нанесение слоя фоторезиста (4); г – защита фоторезистом участков и вытравливание из слоя полупроводника приборных структур (5)

При формировании микроминиатюрных структур пленочных приборов с применением фотолитографии требуется хорошая адгезия пленок к подложке, иначе они отслаиваются. При нанесении в вакууме пленок на нагретые изолирующие подложки, например, стеклянные, адгезия пленок к подложке хорошая и фотолитографическое формирование происходит качественно. Однако наилучшими электрическими характеристиками обладают пленки полупроводника, которые после напыления перекристаллизовывались. У таких пленок адгезия существенно улучшается, и при фотолитографическом травлении пленки, как правило, не отслаиваются.

Чтобы предотвратить такое отслаивание, применяют, например, напыление пленок на подложки, в которых предварительно вытравлены углубления в форме требуемой приборной структуры, а затем поверх наносят защитный слой. Далее проводят перекристаллизацию, сошлифовывают защитный слой пленки с подложки, а в углублении остаются приборные структуры из пленки с высокими значениями электрофизических параметров. Схема описанного процесса применительно к пленкам антимонида индия приведена на рис. 3.15. Недостаток этого метода заключается в том, что полученные пленочные структуры могут быть использованы лишь для изготовления заранее заданного типа приборов.

а)

в)

б)

Рис. 3.15. Стадии формирования приборных структур элементов Холла

из поликристаллических пленок InSb в изолированных углублениях

а – пленочная заготовка, полученная путем многократных напылений в ваку- уме, фототравления и перекристаллизации, перед шлифовкой: 1 - подложка; 2 - пленка стекла с вытравленными углублениями; 3 - пленка InSb;

б - пленочная структура после шлифовки, в результате которой образуются изолированные полупроводниковые элементы (4) в углублениях;

в - готовая приборная структура после напыления пассивирующего покрытия (5) и слоя металлизации (6)

При подборе пар полупроводник – металл для контактных структур кроме хорошей электропроводности, способности образовывать омический контакт с данным полупроводником металл должен удовлетворять ряду дополнительных требований. Область контакта должна быть резкой, т.е. металл не должен проникать в полупроводник, что возможно, если он будет иметь низкий коэффициент диффузии и не будет обладать смешиваемостью с полупроводником в твердом состоянии. Кроме того, металл должен быть электрически нейтрален по отношению к полупроводнику, чтобы не влиять на его проводимость в области, прилегающей к границе раздела. Необходимо также отметить, что материалы пары полупроводник – металл должны быть технологически совместимыми и соответствовать требованиям эффективного нанесения путем вакуумного напыления. Для полупроводников А^IIIВ^V наиболее подходят металлы А^III. Они практически не растворяются в твердом состоянии в полупроводниках А^IIIВ^V, электрически нейтральны по отношению к ним и технологически совместимы в любых процессах. Для получения пленочных структур полупроводник – металл более всего подходит наиболее тугоплавкий из металлов А^III алюминий. Его использование в составе рассматриваемых структур способно обеспечить существенное расширение рабочего температурного диапазона для измерительных преобразователей по сравнению с приборами, у которых контакты выполнялись на основе пайки индием.