張安安, 李 暉

(江西省科學(xué)院 能源研究所,江西 南昌 330039)

0 引 言

磁性傳感器是最常用的傳感器之一,現(xiàn)如今廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車及智能手機(jī)等領(lǐng)域[1]。在磁性傳感器中,霍爾傳感器因其能與標(biāo)準(zhǔn)微電子工藝兼容而發(fā)揮著重要作用。與采用高遷移率復(fù)合半導(dǎo)體(如GaAs或InSb)實(shí)現(xiàn)的分立霍爾器件相比,采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)技術(shù)制造的霍爾器件傳感性能較差[2]。由于磁傳感器能和信號(hào)調(diào)節(jié)電路集成于同一基板中,因此,能夠?qū)崿F(xiàn)偏移減小、溫度穩(wěn)定和非線性校正等功能[3,4]。CMOS霍爾傳感器通常由4個(gè)觸點(diǎn)的摻雜硅構(gòu)成,其中2個(gè)用于偏壓,2個(gè)用于傳感。

CMOS霍爾效應(yīng)器件性能受限于低磁分辨率、低靈敏度和高輸出失調(diào)電壓。使用集成磁濃縮器可提高磁分辨率和靈敏度,而降低偏移量的標(biāo)準(zhǔn)解決方案是旋轉(zhuǎn)電流法[5]。旋轉(zhuǎn)電流周期性地切換偏置和傳感觸點(diǎn),導(dǎo)致傳感器內(nèi)部載流子的重新排列,這需要時(shí)間使傳感觸點(diǎn)上的電壓從偏置電壓穩(wěn)定到共模電壓加上霍爾電壓[6]。這種穩(wěn)定時(shí)間決定了最大旋轉(zhuǎn)頻率的上限,限制了霍爾器件的應(yīng)用。

目前,對(duì)低成本高帶寬隔離電流傳感器性能要求較高。電流傳感器可以將開關(guān)電源中的電流大小作為電壓信號(hào)反饋給開關(guān)電源控制器,可以調(diào)節(jié)輸入脈沖占空比和電源保護(hù)[7]。而霍爾電流傳感器更能降低電流檢測(cè)產(chǎn)生的功耗,提高開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率[8]。因此,霍爾電流傳感器廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源系統(tǒng)中,表明電流傳感器至少可以達(dá)到直流1 MHz帶寬[9,10]。在商業(yè)上使用的霍爾傳感器設(shè)備中,最高帶寬為120 kHz,比現(xiàn)代高頻電力系統(tǒng)所要求的低1個(gè)數(shù)量級(jí)[11,12]。然而,目前對(duì)CMOS霍爾器件的物理時(shí)間響應(yīng)分析還沒確切方案。

本文利用現(xiàn)代物理模擬器研究了CMOS霍爾器件的物理時(shí)間響應(yīng)極限。所提出的帶嵌入式模塊的洛倫茲力三維分析數(shù)值模擬可仿真霍爾器件響應(yīng)時(shí)間。本文首次涉及分析CMOS霍爾傳感器時(shí)間限制。

1 霍爾傳感器模型

霍爾傳感器基于霍爾效應(yīng),當(dāng)磁場(chǎng)垂直地施加在電流上時(shí),電子的流動(dòng)從其直線方向彎曲,并垂直于電流和磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)小的電壓,即霍爾電壓,有

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式中Iy為y軸上的電流,Bz為z軸上的磁感應(yīng),q為電子電荷,N為硅的摻雜濃度,t為傳感器的厚度,G為傳感器幾何結(jié)構(gòu)效率的校正系數(shù),RH為霍爾系數(shù),取決于散射效應(yīng)和材料各向異性[13,14]。

模擬霍爾器件的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,如圖1所示。大小由30 μm×30 μm和1 μm厚的n-孔組成,摻雜有恒定濃度的供體原子。4個(gè)高摻雜的觸點(diǎn)被放置在N阱的角落。每個(gè)觸點(diǎn)有一個(gè)4.5 μm×4.5 μm的延長線和一個(gè)0.4 μm的厚度。這些接觸是由離子注入產(chǎn)生的。為了可靠地模擬離子注入過程,在不同摻雜濃度下,每一個(gè)接觸面都用3層模型來模擬,較低的摻雜水平深入基底。一個(gè)P型外延層,受體原子濃度為1 015/cm3,圍繞著N阱。外延層大小為50 μm×50 μm,5 μm厚,并且在一側(cè)具有觸點(diǎn),以設(shè)置自身對(duì)地的電壓電位。

圖1 CMOS霍爾傳感器三維模型

Synopsys Sentaurus設(shè)備被用作霍爾設(shè)備的物理模擬器。嵌入了電流傳輸模型,能夠分析半導(dǎo)體器件中磁場(chǎng)的影響。采用了考慮洛倫茲力的磁場(chǎng)相關(guān)項(xiàng)增強(qiáng)的共漂移擴(kuò)散輸運(yùn)模型。電子電流密度的一般方程為

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除了傳輸方程和洛倫茲力外,模擬還考慮了摻雜濃度、溫度和載流子散射、高場(chǎng)飽和和肖克利德霍爾復(fù)合導(dǎo)致的遷移率退化。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)分析

為了評(píng)估霍爾傳感器器件的磁場(chǎng)效應(yīng),進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬,求解了空穴和電子的泊松方程和連續(xù)性方程。恒定500 μA電流通過觸點(diǎn)C1,而C4連接到接地,觸點(diǎn)C2和C3浮動(dòng)。磁場(chǎng)入射到上表面,其均勻大小為5 T(使用高磁感應(yīng)來強(qiáng)調(diào)其效果)。圖2(a)為模擬結(jié)果。洛倫茲力的作用是使電子電流密度偏離對(duì)角線,從而在感測(cè)觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電壓差。裝置上的等電位線突出了電位差。對(duì)于本模擬中考慮的高磁感應(yīng),C2上的電位為2.5 V,C3上的電位為1.7 V,總霍爾電壓為0.8 V。此外,在傳感器的線性范圍±0.5進(jìn)行測(cè)試,這是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的線性范圍為電流傳感芯片。模擬的結(jié)果是顯示在圖2(b)。注意,霍爾輸出電壓之間的差異,即潛在的傳感接觸,是在一個(gè)有限的±80 MV,1 MV/靈敏度約160 T。

圖2 靜態(tài)分析模擬結(jié)果

2.2 瞬態(tài)分析

為了評(píng)估傳感器在施加階躍刺激時(shí)的響應(yīng)時(shí)間,確定瞬態(tài)觀測(cè)的持續(xù)時(shí)間重要性。將瞬態(tài)行為的結(jié)束定義為電壓在所需分辨率內(nèi)達(dá)到其最終穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間,即誤差低于分辨率定義的時(shí)間。在下面的模擬中,所需的分辨率是10位。

在改變偏壓接觸后,霍爾器件響應(yīng)時(shí)間的確定還需要在仿真中加入偏壓電路。為此,進(jìn)行了混合模式模擬。圖1所示的電路在SPICE中使用開關(guān)和發(fā)電機(jī)的理想組件進(jìn)行建模,而霍爾傳感器則使用所述的整個(gè)物理3D模型。

在第一個(gè)模擬中,磁感應(yīng)被設(shè)置為0。模擬開始時(shí),500 μA的偏壓電流在觸點(diǎn)C1和C4之間流動(dòng)。T=1 μs時(shí),指令電壓從高狀態(tài)變?yōu)榈蜖顟B(tài)。開關(guān)接收1.5 ns的指令電壓,因此,傳感觸點(diǎn)的交換開始于t=1.001 5 μs。此后,C1和C4成為傳感觸點(diǎn),而C2和C3成為偏壓觸點(diǎn)。圖3(a)為C1和C4之間電壓降的瞬態(tài)行為。傳感器需要近2 ns(1.001 5～1.003 5 μs)來響應(yīng)偏壓條件的變化。傳感器顯示速度非?？?使旋轉(zhuǎn)電流法的頻率高達(dá)50 MHz。

響應(yīng)時(shí)間是移動(dòng)電子到傳感器內(nèi)部空間重新定位所需的時(shí)間。電子電流在偏壓觸點(diǎn)之間流動(dòng),遠(yuǎn)離感應(yīng)觸點(diǎn)。當(dāng)偏壓和感應(yīng)觸點(diǎn)交換時(shí),電子流的方向必須改變90°。這種重新定位時(shí)間,即響應(yīng)時(shí)間,與N阱的電阻率和N阱與EPI基板之間P-N結(jié)的電容有關(guān)。N型阱摻雜濃度加倍,電阻率由2.9 Ω·cm變?yōu)?.7 Ω·cm,結(jié)電容基本相同。這種變化將響應(yīng)時(shí)間縮短了1 ns,如圖3(b)所示。但增加摻雜濃度會(huì)降低傳感器的靈敏度,如前所述。

對(duì)不同的磁感應(yīng)進(jìn)行了上述模擬,對(duì)洛倫茲力對(duì)傳感器響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)。圖3(c)為4種不同磁感應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化為穩(wěn)態(tài)值的C1和C4之間的電壓差。磁通密度對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)于0.5 T磁感應(yīng),響應(yīng)時(shí)間略有增加,小于1 ns。這里是,改變磁通量的方向會(huì)改變電壓瞬變行為,盡管最終結(jié)果是相同的。當(dāng)B=0.5 T時(shí),洛倫茲力抵消了電子在空間上的重新定位,從而使躍遷減慢，對(duì)于B=-0.5 T,洛倫茲力幫助電子在空間重新定位,增加電壓的斜率,但產(chǎn)生過沖。

另一個(gè)影響響應(yīng)時(shí)間的參數(shù)是偏壓電流的大小。如圖3(d)所示,減少10倍的偏壓電流將使響應(yīng)時(shí)間加倍。注意,改變偏壓電流會(huì)改變傳感器跟隨(1)的靈敏度,因此電壓范圍也會(huì)改變。為了保持分辨率不變,最大允許誤差必須與偏置電流成比例。假設(shè)10位分辨率,500 μA偏置電流的最大誤差為150 μV,50 μA偏置電流的最大誤差為15 μV。

圖3 瞬態(tài)仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

旋轉(zhuǎn)電流法是CMOS霍爾傳感器中降低偏置電壓的標(biāo)準(zhǔn)方法。這種方法需要不斷交換偏置接觸與傳感接觸。每當(dāng)出現(xiàn)偏置不連續(xù)時(shí),電子的流動(dòng)就需要時(shí)間在傳感器內(nèi)部移動(dòng)。這是一種設(shè)置最大旋轉(zhuǎn)頻率的瞬態(tài)效應(yīng),從而限制了傳感器的信號(hào)帶寬。本文利用數(shù)值物理模擬來找出傳感器響應(yīng)時(shí)間的數(shù)量級(jí),并了解其物理依賴性。

使用Synopsis Sentaurus?對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的方形硅霍爾傳感器進(jìn)行了三維建模。利用該模型對(duì)硅器件的磁力效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。采用混合模式、香料物理模擬方法分析了觸點(diǎn)切換時(shí)的瞬態(tài)行為。從早期的結(jié)果來看,模型傳感器的響應(yīng)時(shí)間只有幾納秒,允許旋轉(zhuǎn)頻率高達(dá)50 MHz。為了得出響應(yīng)時(shí)間與幾個(gè)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系,并進(jìn)行進(jìn)一步的仿真。仿真結(jié)果表明：響應(yīng)時(shí)間與磁感應(yīng)和偏置電流關(guān)系不大,但受電阻率的影響較大。事實(shí)上,增加N阱的摻雜濃度會(huì)降低反應(yīng)時(shí)間。但N阱的高摻雜濃度降低了傳感器的靈敏度?？傊?使用更高濃度的N阱可以實(shí)現(xiàn)更快的霍爾器件,但這將顯著降低傳感器的靈敏度。