霍尔传感器响应时间的物理仿真分析

张安安, 李 晖

(江西省科学院 能源研究所,江西 南昌 330039)

0 引 言

磁性传感器是最常用的传感器之一,现如今广泛应用于工业、汽车及智能手机等领域[1]。在磁性传感器中,霍尔传感器因其能与标准微电子工艺兼容而发挥着重要作用。与采用高迁移率复合半导体(如GaAs或InSb)实现的分立霍尔器件相比,采用互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)技术制造的霍尔器件传感性能较差[2]。由于磁传感器能和信号调节电路集成于同一基板中,因此,能够实现偏移减小、温度稳定和非线性校正等功能[3,4]。CMOS霍尔传感器通常由4个触点的掺杂硅构成,其中2个用于偏压,2个用于传感。

CMOS霍尔效应器件性能受限于低磁分辨率、低灵敏度和高输出失调电压。使用集成磁浓缩器可提高磁分辨率和灵敏度,而降低偏移量的标准解决方案是旋转电流法[5]。旋转电流周期性地切换偏置和传感触点,导致传感器内部载流子的重新排列,这需要时间使传感触点上的电压从偏置电压稳定到共模电压加上霍尔电压[6]。这种稳定时间决定了最大旋转频率的上限,限制了霍尔器件的应用。

目前,对低成本高带宽隔离电流传感器性能要求较高。电流传感器可以将开关电源中的电流大小作为电压信号反馈给开关电源控制器,可以调节输入脉冲占空比和电源保护[7]。而霍尔电流传感器更能降低电流检测产生的功耗,提高开关电源的转换效率[8]。因此,霍尔电流传感器广泛应用于开关电源系统中,表明电流传感器至少可以达到直流1 MHz带宽[9,10]。在商业上使用的霍尔传感器设备中,最高带宽为120 kHz,比现代高频电力系统所要求的低1个数量级[11,12]。然而,目前对CMOS霍尔器件的物理时间响应分析还没确切方案。

本文利用现代物理模拟器研究了CMOS霍尔器件的物理时间响应极限。所提出的带嵌入式模块的洛伦兹力三维分析数值模拟可仿真霍尔器件响应时间。本文首次涉及分析CMOS霍尔传感器时间限制。

1 霍尔传感器模型

霍尔传感器基于霍尔效应,当磁场垂直地施加在电流上时,电子的流动从其直线方向弯曲,并垂直于电流和磁场产生一个小的电压,即霍尔电压,有

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式中Iy为y轴上的电流,Bz为z轴上的磁感应,q为电子电荷,N为硅的掺杂浓度,t为传感器的厚度,G为传感器几何结构效率的校正系数,RH为霍尔系数,取决于散射效应和材料各向异性[13,14]。

模拟霍尔器件的结构非常简单,如图1所示。大小由30 μm×30 μm和1 μm厚的n-孔组成,掺杂有恒定浓度的供体原子。4个高掺杂的触点被放置在N阱的角落。每个触点有一个4.5 μm×4.5 μm的延长线和一个0.4 μm的厚度。这些接触是由离子注入产生的。为了可靠地模拟离子注入过程,在不同掺杂浓度下,每一个接触面都用3层模型来模拟,较低的掺杂水平深入基底。一个P型外延层,受体原子浓度为1 015/cm3,围绕着N阱。外延层大小为50 μm×50 μm,5 μm厚,并且在一侧具有触点,以设置自身对地的电压电位。

图1 CMOS霍尔传感器三维模型

Synopsys Sentaurus设备被用作霍尔设备的物理模拟器。嵌入了电流传输模型,能够分析半导体器件中磁场的影响。采用了考虑洛伦兹力的磁场相关项增强的共漂移扩散输运模型。电子电流密度的一般方程为

(2)

除了传输方程和洛伦兹力外,模拟还考虑了掺杂浓度、温度和载流子散射、高场饱和和肖克利德霍尔复合导致的迁移率退化。

2 仿真结果与分析

2.1 静态分析

为了评估霍尔传感器器件的磁场效应,进行了稳态模拟,求解了空穴和电子的泊松方程和连续性方程。恒定500 μA电流通过触点C1,而C4连接到接地,触点C2和C3浮动。磁场入射到上表面,其均匀大小为5 T(使用高磁感应来强调其效果)。图2(a)为模拟结果。洛伦兹力的作用是使电子电流密度偏离对角线,从而在感测触点之间产生电压差。装置上的等电位线突出了电位差。对于本模拟中考虑的高磁感应,C2上的电位为2.5 V,C3上的电位为1.7 V,总霍尔电压为0.8 V。此外,在传感器的线性范围±0.5进行测试,这是一个现实的线性范围为电流传感芯片。模拟的结果是显示在图2(b)。注意,霍尔输出电压之间的差异,即潜在的传感接触,是在一个有限的±80 MV,1 MV/灵敏度约160 T。

图2 静态分析模拟结果

2.2 瞬态分析

为了评估传感器在施加阶跃刺激时的响应时间,确定瞬态观测的持续时间重要性。将瞬态行为的结束定义为电压在所需分辨率内达到其最终稳态值的时间,即误差低于分辨率定义的时间。在下面的模拟中,所需的分辨率是10位。

在改变偏压接触后,霍尔器件响应时间的确定还需要在仿真中加入偏压电路。为此,进行了混合模式模拟。图1所示的电路在SPICE中使用开关和发电机的理想组件进行建模,而霍尔传感器则使用所述的整个物理3D模型。

在第一个模拟中,磁感应被设置为0。模拟开始时,500 μA的偏压电流在触点C1和C4之间流动。T=1 μs时,指令电压从高状态变为低状态。开关接收1.5 ns的指令电压,因此,传感触点的交换开始于t=1.001 5 μs。此后,C1和C4成为传感触点,而C2和C3成为偏压触点。图3(a)为C1和C4之间电压降的瞬态行为。传感器需要近2 ns(1.001 5～1.003 5 μs)来响应偏压条件的变化。传感器显示速度非常快,使旋转电流法的频率高达50 MHz。

响应时间是移动电子到传感器内部空间重新定位所需的时间。电子电流在偏压触点之间流动,远离感应触点。当偏压和感应触点交换时,电子流的方向必须改变90°。这种重新定位时间,即响应时间,与N阱的电阻率和N阱与EPI基板之间P-N结的电容有关。N型阱掺杂浓度加倍,电阻率由2.9 Ω·cm变为1.7 Ω·cm,结电容基本相同。这种变化将响应时间缩短了1 ns,如图3(b)所示。但增加掺杂浓度会降低传感器的灵敏度,如前所述。

对不同的磁感应进行了上述模拟,对洛伦兹力对传感器响应时间进行检测。图3(c)为4种不同磁感应的标准化为稳态值的C1和C4之间的电压差。磁通密度对响应时间的影响可以忽略不计。对于0.5 T磁感应,响应时间略有增加,小于1 ns。这里是,改变磁通量的方向会改变电压瞬变行为,尽管最终结果是相同的。当B=0.5 T时,洛伦兹力抵消了电子在空间上的重新定位,从而使跃迁减慢，对于B=-0.5 T,洛伦兹力帮助电子在空间重新定位,增加电压的斜率,但产生过冲。

另一个影响响应时间的参数是偏压电流的大小。如图3(d)所示,减少10倍的偏压电流将使响应时间加倍。注意,改变偏压电流会改变传感器跟随(1)的灵敏度,因此电压范围也会改变。为了保持分辨率不变,最大允许误差必须与偏置电流成比例。假设10位分辨率,500 μA偏置电流的最大误差为150 μV,50 μA偏置电流的最大误差为15 μV。

图3 瞬态仿真结果

3 结 论

旋转电流法是CMOS霍尔传感器中降低偏置电压的标准方法。这种方法需要不断交换偏置接触与传感接触。每当出现偏置不连续时,电子的流动就需要时间在传感器内部移动。这是一种设置最大旋转频率的瞬态效应,从而限制了传感器的信号带宽。本文利用数值物理模拟来找出传感器响应时间的数量级,并了解其物理依赖性。

使用Synopsis Sentaurus®对一个简单的方形硅霍尔传感器进行了三维建模。利用该模型对硅器件的磁力效应进行了数值模拟。采用混合模式、香料物理模拟方法分析了触点切换时的瞬态行为。从早期的结果来看,模型传感器的响应时间只有几纳秒,允许旋转频率高达50 MHz。为了得出响应时间与几个参数的相关关系,并进行进一步的仿真。仿真结果表明：响应时间与磁感应和偏置电流关系不大,但受电阻率的影响较大。事实上,增加N阱的掺杂浓度会降低反应时间。但N阱的高掺杂浓度降低了传感器的灵敏度。总之,使用更高浓度的N阱可以实现更快的霍尔器件,但这将显著降低传感器的灵敏度。