霍尔传感器响应时间的物理仿真分析

[#** B -3” +**# B -(#** B -3Q]
(2)
式中 3为无迁移率的电流矢量,#*为霍尔迁移率,#为
迁移率,B为磁感应矢量,b为该矢量的大小)12*&
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
Physical simulation analysis of response time of Hall sensor
ZHANG Anan, LI Hui
(InsPtute of Energy，JiangxC Academy of Sciences,Nanchang 330039，China)
Absrracr： Acmcngaiihep obeem oosenscicvcitand acqucscicon bandwcdih ooCMOS Haesenso ， icmeecmcioo CMOS Haesenso csscmueaied and anaeteed.Fcsiet， iheianscenichaaciecsiccsooCMOS Haesenso ae anaeteed btmode n phtsccaescmueaio .Secondet， iheih eecdcmensconaemodeeoo squaeHaesenso cseaeceed bt CMOS iechnoeogt.Fcnaet， ihemagneiccoceed eoecioosceccon devccecsscmueaied btcu eniianspo imodee.In o de ioanaeteeon esponseicme， ihewhoeecccucicsscmueaied bthtb cd modeSPICE， ihaics， ih eecdcmensconae
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]o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（ compeec
mentary metal-cxidc-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。
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。
* +魯⑴
式中.为y轴上的电流,0为z轴上的磁感应,g为电子
电荷,#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,"h为霍尔系数，取决于散射效应 和材料各向异性[13,14]O
模拟霍尔器件的结构非常简单，如图1所示。大小由 30 pm -30 pm和1 pm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 pm -4. 5 pm的延长线和一个0. 4 pm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 pm 50 pm,5 pm厚,并且在一侧具有触点,以设置自身对地的电 压电位。
Abs(eCurrentDensity-V) [*A cm"2]
■ 5.000x10$
1.775x10$
6.300X102 C2
C4
2.236X102 7.937X101
i
_ 2.817X101
■ 1.000X101
i
C1
C3
(a)准平稳模拟
磁感应/T (b)线性范+内传感器静态特性
图2静态分析模拟结果
模型化设备的响应时间很快，采集带宽在兆赫范围内。沉降时间主要取决于传感器的物理结构，更高浓度
的N孔可以实现更快的霍尔器件，但这将降低传感器的灵敏度。 关键词：磁传感器；霍尔传感器；数值模拟；高带宽；响应时间
中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号#1000-9787（2019）10-0012-03
在第一个模拟中，磁感应被设置为0&模拟开始时, 500 pA的偏压电流在触点C1和C4之间流动。4=1 ps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 ps&此后，C1
和C4成为传感触点，而C2和C3成为偏压触点。图3 (a)
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⑹& 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。
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 !A偏 置电流的最大误差为150 !V,50 !A偏置电流的最大误差 为 15 !V。
拟，求解了空穴和电子的泊松方程和连续性方程。恒定 500 pA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&
为C1和C4之间电压降的瞬态行为。传感器需要近 2 ns( 1.0015 -1.0035 ps)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
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
收稿日期：2019-08-07
第10期
张安安,等:霍尔传感器响应时间的物理仿真分析
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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
devccepeusbcasscheme.Thescmueaicon esueisshowihaiihe esponseicmeooihemodeeed devccecsvetoasiand
iheacqucscicon bandwcdih cswcihcn MHe.Seieemeniicmemacnetdependson phtsccaesiuciu eooihesenso . Hcghe conceniaicon ooNchoeescan achceveoasie Haedevcces， buiihcswceeduceihesenscicvcitooihesenso . Keywords： magneiccsenso ； Haesenso ； numeccaescmueaicon； hcgh bandwcdih； esponseicme
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# - cm变为1.7# - cm,结电容基本相同。这种
14
传感器与微系统
第38卷
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0=0.5T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 0=—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。
DopingConcentration[cm"3]
■ 3.000X1025 i2.910x1014
2.823 x15;
2.739x10=
C1
-9.410X102
-9.701X108
Baidu Nhomakorabea
・-1.000x10"
C4
C2
C3
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
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传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)
2019年第38卷第10期
DOI #10.13873/J. 1000-9787(2019)10-0012-03
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）
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 kHe,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。
0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 时间/$s
(a)偏压电路切换后传感器的
时间/#S (b)不同掺杂浓度下传感器的
瞬态行为
时间/"S (c)传感器在不同磁感应下的
瞬态行为
时间/囲
(+)不同偏压电流下传感器的 瞬态特性
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
摘要：针对互补金属氧化物半导体（CMOS）霍尔传感器的灵敏度和采集带宽问题，对CMOS霍尔传感
器的时间限制进行了仿真分析。对现代物理模拟器对CMOS霍尔传感器的瞬态特性进行分析，采用 CMOS技术实现了方形霍尔传感器的三维模型，通过电流输运模型对硅器件的磁场效应进行了数值模拟。
为了分析响应时间，对整个电路进行了混合模SPICE物理模拟，即三维器件加偏压方案。仿真结果表明：
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