ПЛАНАРНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОР
PLANAR BIPOLAR MAGNETIC TRANSISTOR

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля. Датчики величины и направления магнитного поля производят преобразование индукции магнитного поля в электрический сигнал и находят все более широкое применение в интегральной электронике и микросистемной технике, благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники.
Полупроводниковыми магниточувствительными элементами служат: магниторезисторы, магнитодиоды, датчики Холла, магнитотранзисторы магнитотиристоры и некоторые другие[1]. При воздействии магнитного поля изменяется сопротивление датчика (эффект Гаусса) или появляется электродвижущая сила (эффект Холла), или изменяется протекающий ток за счет гальваномагнитного эффекта отклонения носителей заряда под действием силы Лоренца.
Перспективными элементами являются двухколлекторные биполярные магнитотранзисторы (БМТ), которые отличаются простотой изготовления, высокой чувствительностью и избирательностью к направлению магнитного поля. Подробно БМТ описан в обзоре [2]. Магниточувствительность БМТ обусловлена отклонением в магнитном поле под действием силы Лоренца потоков инжектируемых носителей заряда из эмиттера при пролете их через базу к двум коллекторам. Для увеличения магниточувствительности разрабатываются новые конструкции БМТ.
Боковой (латеральный) транзистор с расположением электродов коллекторов, эмиттера и контактов к базе на поверхности кристалла обеспечивает получение высокой чувствительности [3]. Этот прибор состоит из пары латеральных транзисторов с общим эмиттером. Существенное значение для работы прибора имеет то, что инжектированные из эмиттера потоки носителей заряда текут к двум коллекторам в противоположных направлениях и под действием магнитного поля, направленного вдоль поверхности один поток прижимается к поверхности, а другой поток отодвигается от поверхности. Наблюдается относительная чувствительность по току . К недостаткам прибора следует отнести отсутствие изоляции активной части прибора от подложки. Инжектированные носители заряда беспрепятственно проходят во все области кристалла, что оказывает влияние на другие элементы интегральной схемы.
-1
В патенте США [4] датчик магнитного поля в виде латерального биполярного двухколлекторного магнитотранзистора формируется в диффузионном кармане на поверхности кремниевой подложки другого по сравнению с карманом типа проводимости. Электроды расположены на поверхности кармана в следующем порядке: в середине эмиттер, слева и справа - коллекторы, далее, слева и справа - контакты к базе. На pn- переход между подложкой и карманом с помощью дополнительных контактов к подложке подается обратное смещение, что должно обеспечить изоляцию транзистора от других элементов интегральной схемы. Относительная чувствительность датчика по току составляет примерно 1 Тл. Основную роль в перераспределении носителей заряда играет модуляция инжекции в результате изменения потенциалов на левой и правой границах эмиттерного pn-перехода при действии силы Лоренца в магнитном поле. Этот прибор чувствителен преимущественно к магнитному полю, направленному вдоль поверхности кристалла. Недостатком датчика является то, что переход карман - подложка является третьим коллектором. Через переход проникает ток инжектированных носителей заряда, поэтому переход карман - подложка не обеспечивает достаточную изоляцию прибора.
-1
В статье [5] описан двухколлекторный ортогональный биполярный магнитотранзистор с тянущим полем в базе. Прибор чувствителен к магнитному полю, направленному перпендикулярно поверхности подложки, и имеет относительную чувствительность по току 0,23 Тл. Для создания тянущего поля к базе изготавливаются два контакта, к которым прикладывается напряжение смещения. В результате через базу протекает паразитный ток, который сильно уменьшает коэффициент преобразования проходящего через прибор тока в полезный сигнал изменения тока коллекторов в магнитном поле.
-1
-1
В патентах США [6, 7] несколько коллекторных электродов располагаются вокруг эмиттера. Такой транзистор с расщепленным коллектором позволяет почувствовать три компоненты вектора индукции магнитного поля. Относительная чувствительность по току для магнитной индукции, направленной перпендикулярно поверхности подложки, составляет 0,03 Тл. Для магнитной индукции, направленной перпендикулярно поверхности подложки, чувствительность равна 0,4 Тл. Использование одних и тех же электродов для получения данных для трех составляющих вектора магнитной индукции не дает возможности разделить полезный сигнал по составляющим вектора магнитной индукции в силу их перекрестного вклада в выходной сигнал.
-1
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является патент РФ на изобретение [8], в котором предлагается полупроводниковый магнитный преобразователь в виде латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, содержащего кремниевую монокристаллическую подложку; базовую область на поверхности подложки, имеющую малую концентрацию примеси; сильнолегированные области эмиттера, первого и второго измерительных коллекторов, с глубиной меньше глубины базовой области и расположенные внутри базовой области; области сильнолегированных контактов к базе; диффузионный карман, отделяющий базовую область от подложки и в котором имеются сильнолегированные контакты; в подложке формируются контакты, которые соединены электрически с контактами к эмиттеру с подачей одинакового потенциала. Между карманом и подложкой образуется pn-переход, который защищает прибор от токов других элементов, входящих в интегральную схему. Прибор максимально чувствителен к магнитной индукции с вектором, направленным вдоль поверхности кристалла и вдоль длинной стороны полосковых электродов эмиттера и коллекторов. Относительная чувствительность по току для магнитной индукции, направленной параллельно поверхности подложки, составляет 4,5 Тл. При полосковой геометрии эмиттера и коллекторов, равноудаленных от эмиттера, чувствительность к магнитному полю, направленному перпендикулярно поверхности подложки, практически равна нулю.
Задачей изобретения планарного биполярного магнитотранзистора является увеличение чувствительности полупроводникового магнитного преобразователя к магнитной индукции, направленной перпендикулярно поверхности кристалла.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в планарном биполярном магнитотранзисторе предусмотрены существенные отличия от прототипа. Области эмиттера и коллекторов располагаются в области базы на расстоянии друг от друга вдоль границы pn-перехода база-карман, превышающем расстояние от границы области объемного заряда pn-перехода база-карман в два или более раз. Соотношение расстояний определяется необходимостью формирования потоков инжектированных носителей заряда вдоль границы области объемного заряда pn-перехода база-карман, расположенной перпендикулярно поверхности подложки. Контакты к карману располагаются в кармане около границы pn-перехода база-карман напротив коллекторов. Контакты к базе располагаются между эмиттером и коллекторами и за счет сильного легирования ограничивают протекание тока инжектированных носителей заряда напрямую между эмиттером и коллекторами. С каждой стороны от полоскового эмиттера расположены по два коллектора, левые и правые относительно эмиттера коллекторы соединены металлизацией и имеют два общих вывода коллекторов. Разница токов коллекторов в магнитном поле соответствует измеряемой составляющей вектора магнитной индукции, перпендикулярной поверхности кристалла.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. Распределение потоков носителей заряда планарного магнитотранзисторного преобразователя имеет симметричный вид без магнитного поля и изменяется на асимметричное расположение потоков при воздействии магнитной индукции, направленной перпендикулярно поверхности подложки. Инжектированные из эмиттера потоки носителей заряда проходят в базе вдоль границы pn-перехода база-карман как в области дна базы, так и вдоль боковых вертикальных стенок базы. Смещение линий тока в магнитном поле, направленном перпендикулярно поверхности кристалла, переводит носители заряда в область объемного заряда боковых вертикальных стенок базы перехода база-карман и увеличивает ток одного коллектора, а ток другого коллектора уменьшает. В области объемного заряда pn-перехода в магнитном поле изменяется концентрация носителей заряда и образуются проводящие области около одного коллектора. Проводимость этих областей определяет величину тока коллектора и соответственно чувствительность планарного биполярного магнитотранзистора к магнитному полю, направленному перпендикулярно поверхности кристалла. Для другого коллектора область объемного заряда расширяется, и его ток уменьшается. Происходит преобразование магнитного поля в изменение тока коллекторов планарного магнитотранзисторного преобразователя. Изменение величины токов коллекторов в противоположном направлении относительно друг друга повышает абсолютную чувствительность по току. Для исключения вклада модуляции проводимости донной части pn-перехода база-карман, параллельной поверхности кристалла к составляющим вектора магнитной индукции, направленным вдоль поверхности кристалла, проводится соединение пар коллекторов, расположенных крест-накрест относительно эмиттера.
Изобретение планарный биполярный магнитотранзистор позволяет повысить чувствительность полупроводникового магнитного преобразователя к составляющей вектора магнитной индукции, направленной перпендикулярно поверхности кристалла. Прибор работает без тянущего поля в базе и без паразитного тока в базе. Поэтому возрастает относительная чувствительность прибора, определяемая по отношению изменения тока коллекторов к общему току, проходящему через прибор.
На фиг.1 представлено поперечное сечение структуры планарного биполярного магнитотранзистора, где:
1 - монокристаллическая полупроводниковая подложка первого типа проводимости;
2 - диффузионный карман второго типа проводимости;
3 - база первого типа проводимости;
4 - первый измерительный коллектор второго типа проводимости;
5 - эмиттер второго типа проводимости;
6 - второй измерительный коллектор второго типа проводимости;
7 - обратная сторона подложки;
8 - главная сторона подложки;
9 - первый омический контакт к подложке;
10 - первый омический контакт к карману;
11 - первый омический контакт к базе;
12 - второй омический контакт к базе;
13 - второй омический контакт к карману;
14 - второй омический контакт к подложке;
15 - изолирующий окисел;
16 - металлизация.
Схема изменения в магнитном поле линий тока инжектированных из эмиттера носителей заряда планарного биполярного магнитотранзистора представлена на фиг.2, где:
2 - диффузионный карман второго типа проводимости;
3 - база первого типа проводимости;
5 - эмиттер второго типа проводимости левый;
12 - второй омический контакт к базе;
6.1 - одна половина второго измерительного коллектора второго типа проводимости;
6.2 - вторая половина второго измерительного коллектора второго типа проводимости;
13.1 - одна половина второго омического контакта к карману;
13.2 - вторая половина второго омического контакта к карману;
KK
I(0) - ток инжектированных из эмиттера носителей заряда, протекающий к контактам к карману;
K1.1
I(0) - ток инжектированных из эмиттера носителей заряда, протекающий к одной половине второго измерительного коллектора без магнитного поля;
K1.1
I(B) - ток инжектированных из эмиттера носителей заряда, протекающий к одной половине второго измерительного коллектора в магнитном поле;
K1.2
I(0) - ток инжектированных из эмиттера носителей заряда, протекающий к второй половине второго измерительного коллектора без магнитного поля;
K1.2
I(В) - ток инжектированных из эмиттера носителей заряда, протекающий к второй половине второго измерительного коллектора в магнитном поле;
В - вектор магнитной индукции, направленный перпендикулярно главной стороне подложки.
Топология планарного биполярного магнитотранзистора с четырьмя коллекторами представлена на фиг.3, где:
П - вывод металлизации от контакта к подложке;
KK - вывод металлизации от контактов к карману;
Б - вывод металлизации от контактов к базе;
Э - вывод металлизации от эмиттера;
K1 - вывод металлизации от первого коллектора;
K2 - вывод металлизации от второго коллектора.
Схема включения напряжения на электроды прибора в составе датчиков выполнена так, как показано на фиг.4, где:
П - вывод от контакта к подложке;
KK - вывод от контактов к карману;
Б - вывод от контактов к базе;
Э - вывод от эмиттера;
K1 - вывод от первого коллектора;
K2 - вывод от второго коллектора;
Э
U - напряжение на эмиттере и подложке;
БЭ
U - напряжение смещения на базе;
KK
U - напряжение смещения на кармане;
K1
U - выходное напряжение на первом коллекторе;
K2
U - выходное напряжение на втором коллекторе.
-1
На фиг.5 дана для конкретного прибора зависимость относительной по току магнитной чувствительности , Тл от магнитной индукции В, мТл.
K1.1
K1.2
KK
K1.1
K1.2
Схема изменения в магнитном поле линий тока инжектированных носителей заряда из эмиттера 5 планарного биполярного магнитотранзистора, представленная на фиг.2, показывает, что без магнитного поля ток инжектированных носителей заряда I(0)+I(0)+I(0) проходит к коллекторам 6.1 и 6.2 и до контактов к карману 13.1, 13.2 вдоль pn-перехода между базой 3 и карманом 2 мимо контакта к базе 12. В магнитном поле с вектором магнитной индукции, направленным перпендикулярно поверхности подложки, протекающий к коллекторам ток инжектированных носителей заряда под действием силы Лоренца изменяет направление и величину I(В), I(B). Ток одного коллектора возрастает, а другого уменьшается. При этом происходит модуляция проводимости в области вертикальной стенки pn-перехода база-карман в соответствии с эффектом, описанном в работе [9].
K1
K2
Как показано на фиг.3, два контакта к базе Б расположены с двух сторон от эмиттера, четыре контакта к карману КК расположены около коллекторов и обеспечивают протекания тока инжектированных носителей заряда в направлении от эмиттера вдоль границ перехода база-карман. Такая структура позволяет выделить результат измерения разности токов коллекторов I-I только для составляющей вектора магнитной индукции, перпендикулярной поверхности кристалла, и исключить из результата измерений изменение тока коллекторов для составляющих вектора магнитной индукции, параллельных поверхности кристалла.
K1.1
K1.2
K2.1
K2.2
K1
K2
K1
K1.1
K2.2
K2
K2.1
K1.2
K1.1
K2.2
K1.2
K2.1
При наличии составляющей вектора магнитной индукции, направленной параллельно горизонтальной области pn-перехода база-карман, в соответствии с описанным эффектом возникает разность тока коллекторов [I(B)+ I(B)]-[I(B)+I(B)]. Для исключения влияния этой составляющей разности токов коллекторов с другой стороны от эмиттера располагаются еще два коллектора, как показано на фиг.3. Металлизация соединяет по два правых относительно стороны эмиттера и два левых коллектора на два выхода. Эти выходы являются выводом коллектора K1 и коллектора K2. Коллекторы имеют одинаковый размер и соединены симметрично, поэтому без магнитного поля по ним проходит одинаковый ток I(В=0)=I(В=0). Каждый ток складывается из двух токов I(B=0)=I(B=0)+I(В=0); I(В=0)=I(В=0)+I(В=0). В магнитном поле с вектором магнитной индукции, направленным параллельно поверхности кристалла, изменение тока пар коллекторов, входящих в объединенную пару коллекторов и расположенных с двух сторон от эмиттера и от направления действия вектора магнитной индукции, изменяются в противоположном направлении и компенсируют друг друга. dI(B║)+dI(В║)=0; dI(B║)+dI(B║)=0.
K1
K2
K1
K1-1
K1-2
K2
K2-1
K2-2
В магнитном поле с вектором магнитной индукции, направленным перпендикулярно поверхности кристалла, ток одного коллектора увеличивается, а другого уменьшается I(В┴)≠I(В┴). Каждый ток складывается из двух токов I(B┴)=I(B┴)+I(B┴); I(B┴)=I(B┴)+I(B┴). Изменение токов в магнитном поле имеет одинаковый знак для каждой пары коллекторов.
БЭ
KK
K1
K2
Э.
В составе датчиков магнитного поля схема включения напряжения планарного магнитотранзисторного преобразователя выполнена так (фиг.4), что на области контактов к базе Б и к карману KK подаются напряжения смещения базы и кармана относительно эмиттера и подложки U и U; на измерительные коллекторы K1 и K2 подключаются напряжения U, U от источника питания через сопротивление нагрузки; на эмиттер Э и подложку П задается потенциал U. Из базового контакта в эмиттер протекает ток носителей заряда одного знака и создается поток носителей заряда другого знака за счет инжекции из p-n-перехода эмиттера в базу. В базе инжектированные носители заряда доходят до измерительных коллекторов и ими экстрагируются.
-1
На фиг.5 дана зависимость относительной по току магнитной чувствительности Sr от магнитной индукции, направленной перпендикулярно поверхности кристалла для конкретного прибора. Измерение чувствительности проводилось в постоянном магнитном поле с магнитной индукцией B в диапазоне от 0,1 мТл до 1 Тл. В зависимости от напряжения смещения относительная магнитная чувствительность по току практически не зависит от величины магнитной индукции и равняется 4,1 Тл. Относительная по току магнитная чувствительность определена по формуле
K1
K1
K2
K2
K1
K2
0
Sr=[I(B)-I(0)-I(B)+I(0)]/[I(0)+I (0)]·B.
K1
K2
Функционирование планарного биполярного магнитотранзистора происходит следующим образом. В отсутствие магнитного поля носители заряда, инжектируемые из эмиттера, проходят через базу и поровну распределяются между измерительными коллекторами и формируют равные токи рабочих коллекторов I(0) и I(0). Ток эмиттера и подложки суммируется из токов кармана, базы и измерительных коллекторов. В магнитном поле на носители, инжектируемые из эмиттера, действует сила Лоренца, которая отклоняет поток носителей к одной стороне базы относительно середины эмиттера, а поток носителей другого знака отклоняется в противоположную сторону, что вызывает несимметричное распределение носителей тока в базе. Асимметричное распределение потоков носителей при экстракции измерительными коллекторами вызывает асимметрию токов этих коллекторов. В итоге разность падений напряжения на равных сопротивлениях нагрузки в цепи измерительных коллекторов является функцией величины магнитного поля, действующего перпендикулярно поверхности кристалла.
Перечисленные на фиг.1 конструктивные элементы планарного биполярного магнитотранзистора выполнены по технологии КМОП интегральных схем следующим образом. Для определенности считаем, что подложка 1 - кремниевая и имеет p-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования области кармана 2 n-типа проводимости с помощью фотолитографии, ионного легирования и термической разгонки. Далее с применением тех же технологических процессов формируются области p-типа проводимости базового слоя 3, подлегирования контактов к базе 11, 12, к подложке 9, 14. Изготовление структуры продолжается формированием областей n-типа проводимости контактов к карману 10, 13, эмиттера 5 и измерительных коллекторов 4, 6. Для обеспечения соединения планарного биполярного магнитотранзистора с внешней электрической схемой интегрального датчика на поверхность кристалла наносится диэлектрический слой окисла кремния (15), формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка (16).
Описанным выше планарным биполярным магнитотранзистором пользуются для создания датчиков магнитного поля различного назначения следующим образом. На выводы прибора подается напряжение: на базовые контакты и на контакты к карману подается положительное напряжение смещения относительно эмиттера, а на подложку одинаковое напряжение с эмиттером. На выводы коллекторов подается положительное напряжение от источника питания через сопротивления нагрузки. Прибор имеет симметричную структуру и одинаковые нагрузки, поэтому токи рабочих коллекторов равны и на выходах между двумя коллекторами разница напряжений равна нулю.
В магнитном поле с вектором магнитной индукции, направленным перпендикулярно поверхности кристалла под действием силы Лоренца потоки носителей тока электронов, текущие в одном направлении, испытывают отклонение в базе в одну и ту же сторону напротив двух коллекторов, расположенных с одной стороны от эмиттера. При этом линии тока напротив одного коллектора укорачиваются, а напротив другого удлиняются. Возникает асимметрия линий тока, соответственно ток одного рабочего коллектора уменьшается, а ток другого коллектора увеличивается. На одинаковых нагрузках возникает различие падения напряжения, и между коллекторами возникает разность напряжений, которая зависит от величины магнитного поля.
Планарный биполярный магнитотранзистор обладает новым качеством - чувствительностью к магнитной индукции, направленной перпендикулярно к поверхности кристалла без задания тянущего поля в базе и с исключением вклада в чувствительность составляющих вектора магнитной индукции, направленных параллельно поверхности кристалла. Вместе с повышением чувствительности снижается погрешность измерения из-за разбаланса тока измерительных коллекторов, и исключается влияние инжекционных токов на другие элементы интегральной схемы.
Источники информации
1. Бараночников М.Л. "Микромагнитоэлектроника", изд. ДМК Пресс, 2001.
2. Балтес Г.П., Попович Р.С. / Интегральные полупроводниковые датчики магнитного поля // ТИИЭР, т.74. 1986. №8. С.60-90.
3. Митникова И.М., Персиянов Т.В., Рекалова Г.И., Штюбнер Г.А. / Исследование характеристик кремниевых боковых магнитотранзисторов с двумя измерительными коллекторами/ ФТП, 1978, т.12, №1, стр.48-50.
4. R.Popovic, H.P.Bakes / Sensitive magnetotransistor magnetic field sensor // Патент США 4,700,211.
5. L.W.Davies, M.S.Wells / Magneto-transistor incorporated in an IC // Proc. IREE, Australia, 1971, 6, 235-238.
6. L.Ristic / Magnetic field sensor with split collector contact for high sensitivity // Патент США 5,179,429.
7. L.Ristic / Collector arrangement for magnetotransistor // Патент США 5,323,050.
8. Козлов А.В., Тихонов Р.Д. / Полупроводниковый магнитный преобразователь // Патент РФ 2284612 - прототип.
9. Р.Д.Тихонов / Магнитоконцентрационный эффект на pn-переходе база-подложка биполярного магнитотранзистора // Измерительная техника, 2009, №12, С.41-45.