МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована при разработке таких устройств, как источники возобновляемой энергии, высокочувствительные датчики тока и магнитного поля, преобразователи, переключатели и др.
Основное применение магниточувствительных приборов заключается в построении на их основе устройств автоматики, систем безопасности, медицинского оборудования, автомобильной электроники, навигации, зондировании Земли и др.
Известен магнитоэлектрический (МЭ) эффект в двухфазных композиционных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонентов, и заключающийся в намагничивании материала при воздействии на него внешнего электрического поля и появлении электрической поляризации при воздействии внешнего магнитного поля (см. Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Srinivasan G., Nan C.W. Магнитоэлектрические материалы - М.: Академия Естествознания, 2006. - 296 с.). Возможность взаимного преобразования магнитных и электрических полей делает такие материалы перспективными для построения различных устройств функциональной электроники на их основе. Параметры таких устройств зависят от величины МЭ эффекта в композиционном материале.
Известен гигантский МЭ эффект в области электромеханического резонанса (ЭМР)  в двухфазных композиционных материалах, состоящих из арсенида галлия и никеля, кобальта, метгласа (см. Лалетин В.М., Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Поддубная Н.Н. Магнитоэлектрический эффект в структурах на основе металлизированных подложек арсенида галлия // Письма в ЖТФ. - 2014. – Т. 40. – Вып. 21. – С. 71–77; M.I. Bichurin, V.M. Petrov, V.S. Leontiev, S.N. Ivanov, O.V. Sokolov Magnetoelectric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide. JMMM 424, p.115–117 (2017)).
Известны МЭ композиционные материалы с градиентом намагниченности магнитострикционной компоненты и градиентом поляризации сегнетоэлектрической компоненты (M.I. Bichurin and et. Magnetoelectric Effect in the Bidomain Lithium Niobate/Nickel/Metglas Gradient Structure, 2019, Physica Status Solidi (b) DOI: 10.1002/pssb.201900398; Бичурин М. И., Петров В. М., Семенов Г. А. Магнитоэлектрический материал для компонентов радиоэлектронных приборов // Патент №2363074 от 27.07.2009). Наличие градиента намагниченности в таких материалах приводит к созданию внутреннего постоянного магнитного поля, что исключает необходимость во внешнем магнитном поле, обычно создаваемого внешними постоянными магнитами.
Известны однопереходные магнитотранзисторы, представляющие собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом между двумя омическими контактами. В таких магнитотранзисторах существуют области отрицательного сопротивления S-типа (в цепи эмиттер-база) и N-типа (в цепи база-база). В поперечном магнитном поле на инжектированные прямосмещённым p-n-переходом носители действует сила Лоренца, отклоняющая их к стенкам базы (или в противоположную сторону при обратной полярности магнитного поля). Поскольку скорость рекомбинации неравновесных носителей на стенках базы больше, чем в объеме, это приводит к изменению диффузионной длины носителей, модуляции сопротивления базы и изменению напряжения включения (см. Егизарян Г.А., Стафеев В.И. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение. - М.: Радио им связь, 1987. - с.56-58).
Известен латеральный магнитотранзистор, включающий полупроводниковую пластину первого типа проводимости, в приповерхностной области которой сформированы последовательно на расстоянии одна от другой первая контактная базовая область первого типа проводимости, инжекторная область второго типа проводимости, коллекторная область второго типа проводимости и вторая контактная базовая область первого типа проводимости, а в приповерхностной области пластины дополнительно сформирована вторая инжекторная область второго типа проводимости, расположенная с противоположной стороны от первой контактной базовой области на расстоянии больше, чем расстояние между первой контактной областью и первой инжекторной областью (см. Биполярный латеральный магнитотранзистор: Авт.свид. СССР № 1702458: МПК H01L 29/82 / Д.К. Йордан (Болг.), Н.Д. Смирнов; заявитель и патентообладатель: Институт по физике твердого тела (Болг.). – № 7773490/25; заявл. 05.07.84; опубл. 30.12.91, Бюл. №48.).
Известны «длинные» биполярные транзисторы с длиной базы более трех длин диффузионного смещения носителей, с коэффициентом усиления экспоненциально зависящего от длины диффузионного смещения и значением меньше единицы. Под действием внешнего поперечного магнитного поля в таких магнитотранзисторах происходит уменьшение эффективной длины диффузионного смещения за счет искривление линий тока и уменьшение подвиджности носителей, что приводит к изменению коэффициента усиления транзистора (см. Егизарян Г.А., Стафеев В.И. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение. - М.: Радио им связь, 1987. - с.50-51).
Известны вертикальные двухколлекторные магнитотранзисторы, представляющие собой вертикальный биполярный p-n-p - транзистор, коллектор в котором разделен на две части (см. Егизарян Г.А., Стафеев В.И. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение. - М.: Радио им связь, 1987. - с.51-52). При включении такого магнитотранзистора по схеме с общим эмиттером в отсутствии магнитного поля инжектированные эмиттером носители заряда примерно поровну распределяется между коллекторами, токи в обоих коллекторах равны и напряжение между ними отсутствует. В поперечном магнитном поле под действием силы Лоренца на неосновные носители в базовой области происходит перераспределение инжектированных носителей заряда между коллекторами и изменение эффективной длины базы.  В результате ток одного коллектора увеличивается, а второго - уменьшается, что приводит к изменению напряжения между коллекторами пропорционально величине магнитного поля.
Известен магнитотранзистор, позволяющиий одновременно измерять два взаимно перпендикулярных составляющих магнитного поля, выполненный в виде прямоугольного бруска квадратного сечения полупроводникового материала первого типа проводимости, на торцах которого сформированы омические контакты, вблизи одного из них на боковых гранях сформированы два эмиттера второго типа проводимости, соединенные между собой, а также три коллектора второго типа проводимости на трех ребрах бруска на одной высоте (см. Магнитотранзистор: Авт.свид. СССР № 1797416: МПК H01L 29/82 / И.М. Викулин, М.А. Глауберман, Л.Ф. Викулина, В.А. Прохоров, П.П. Мальцев; заявитель и патентообладатель: Одесский электротехнический институт связи им. А.С. Попова. – № 4874396/25; заявл. 16.10.90; опубл. 20.10.95, Бюл. №29.).
Недостатками известных конструкций магнитотранзисторов являются малый динамический диапазон, низкая магниточувствительность и необходимость больших магнитных полей.
Наиболее близким по техническому решению является горизонатльный биполярный магнитотранзистор, содержащий два параллельных плоскостных измерительных коллектора, расположенных в непосредственной близости от эмиттера перпендикулярно плоскости его p-n -  перехода, дополнительный коллектор для стабилизации по питанию, параллельный плоскости эмиттера и два базовых электрода. Прототип работает следующим образом. В отсутствие магнитного поля инжектированные эмиттером неосновные носители достигают вследствие диффузии всех трех коллекторов. При помещении прототипа в поперечное магнитное поле под действием силы Лоренца на неосновные носители происходит искривление их траекторий и изменение эффективной длины базы. В результате ток в цепи первого коллектора уменьшается, а второго - увеличивается пропорционально величине магнитного поля. (см. Датчик для измерения магнитных полей: Авт.свид. СССР № 354373: МПК G01r 33/02 / Т.В. Персиянов, Г.И. Рекалова; заявитель и патентообладатель: Электротехнический институт им. В.И. Ульянова (Ленина). – № 1632439/18-10; заявл. 10.03.71; опубл. 09.10.72, Бюл. №30) - прототип.
Недостатками прототипа являются малый динамический диапазон, низкая магниточувствительность и необходимость больших магнитных полей.
Задачей предложенного решения является повышение чувствительности к магнитному полю.
Для решения данной задачи предложен магнитоэлектрический (МЭ) биполярный транзистор, состоящий из подложки, эмиттера, коллектора, базы, контактов к эмиттеру, коллектору и базе, в котором в качестве подложки используется композиционная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура с градиентом намагниченности, работающая в области изгибных колебаний электромеханического резонанса.
Для реализации МЭ биполярного транзистора предлагается вместо полупроводниковой подложки использовать композиционную магнитострикционно-пьезополупроводниковую структуру с градиентом намагниченности на основе высокоомного пьезополупроводникового слоя (например, GaAs, GaN, AlN, SiC и др.) и магнитострикционного слоя с градиентом намагниченности (например, слои метглас/никель), работающую в области изгибных колебаний, для управления сопротивлением базы и током коллектора внешним магнитным полем. Благодаря наличию в таком приборе МЭ эффекта возможно резонансное увеличение магнитной чувствительности к магнитному полю в области электромеханического резонанса с использованием различных типов колебаний. Наличие градиента намагниченности приводит к созданию внутреннего постоянного магнитного поля, что позволяет исключить из конструкции внешний постоянный магнит. Предлагаемое решение позволяет получить следующий технический результат - повышение чувствительности к магнитному полю.
Для пояснения предполагаемого решения предложен чертеж.
Фиг. 1 -  Конструкция МЭ биполярного транзистора.
Устройство состоит из композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры с градиентом намагниченности, состоящей из высокоомного пьезополупроводникового слоя 1 и магнитострикционного слоя с градиентом намагниченности 2, области эмиттера 3, области коллектора 4, области базы 5, контакта к эмиттеру 6,  контакта к коллектору 7 и контакта к базе 8.
Устройство работает следующим образом.
0
За счет внутреннего магнитного поля H магнитострикционный слой с градиентом намагниченности намагничивается до насыщения в направлении в соответствие с  фиг.1. Внешнее поперечное переменное модулирующее магнитное поле h(t), ориентированное в соответствие с фиг.1,  приводит к периодической механической деформации магнитострикционного слоя с частотой модуляции за счет магнитострикции. Благодаря механической связи возникающие в магнитострикционном слое механические деформации передаются высокоомному пьезополупроводниковому слою. Модулированные механические деформации в высокоомном пьезополупроводниковом слое приводят к возникновению ЭДС в результате пьезоэлектрического эффекта, модуляции сопротивления базы, искривлению траектории движения носителей заряда под действием силы Лоренца пропорционально величине внешнего магнитного поля. Модуляция сопротивления базы приводит к изменению тока коллектора транзистора пропорционально величине внешнего магнитного поля. При совпадении частоты модулирующего магнитного поля с частотой изгибных колебаний электромеханического резонанса композитной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры с градиентом намагниченности, образованной высокоомным пьезополупроводниковым слоем и магнитострикционным слоем с градиентом намагниченности будет наблюдаться увеличение чувствительности к магнитному полю МЭ полевого транзистора за счет резонансного МЭ эффекта. Частота изгибных колебаний будет определяться размерами композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры МЭ биполярного транзистора.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет повысить чувствительность к магнитному полю источников возобновляемой энергии, высокочувствительных датчиков тока и магнитного поля, преобразователей, переключателей и др.