ПЛАНАРНЫЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PLANAR MAGNETIC-TRANSISTOR CONVERTER

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 магниточувствительные транзисторы (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 коллектору. Для увеличения магниточувствительности разрабатываются новые конструкции БМТ, в которых используются физические эффекты: эффект Холла, перераспределение потока носителей заряда под действием силы Лоренца, гальваномагнитные эффекты, рекомбинация носителей тока в объеме и на поверхности прибора, кулоновское взаимодействие носителей противоположных знаков, диффузионный и дрейфовый механизмы протекания тока. В результате действия вышеперечисленных эффектов происходит отклонение потоков носителей заряда в объеме и на поверхности кристалла от их симметричного распределения, создается изменение тока коллекторов при воздействии магнитного поля и повышение чувствительности транзистора.
Структура бокового транзистора 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. Между эмиттером и коллекторами выбрано большое расстояние, а в базе на поверхности кристалла имеется высокая скорость рекомбинации носителей заряда. В этой конструкции наблюдается малый коэффициент передачи тока от эмиттера до коллекторов и невысокие значения тока рабочих коллекторов. Существенное значение для работы прибора имеет то, что инжектированные из эмиттера потоки носителей тока текут к двум коллекторам в противоположных направлениях и под действием силы Лоренца один поток прижимается к поверхности, а другой поток отодвигается от поверхности. Малая величина тока коллектора Ic в магнитном поле В сильно изменяется, например, наблюдается относительная чувствительность по току  К недостаткам прибора следует отнести отсутствие изоляции активной части прибора от подложки. Инжектированные носители тока 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 транзистора, чувствительного к магнитному полю, формируется в 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 p-n-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 100% Т. Основную роль в перераспределении носителей заряда играет модулируемая инжекция в результате изменения потенциалов на левой и правой границах эмиттерного р-n-перехода при действии силы Лоренца в магнитном поле. Этот прибор чувствителен преимущественно к магнитному полю, направленному вдоль поверхности кристалла. Недостаток у датчика в кармане тот же. Переход карман-подложка является третьим коллектором, через переход проникает ток инжектированных носителей заряда. Т.о., переход карман-подложка не обеспечивает изоляцию прибора.
В статье /5/ описан двухколлекторный ортогональный биполярный магнитотранзистор с тянущим полем в базе. Прибор чувствителен к магнитному полю, направленному перпендикулярно поверхности подложки. Для создания тянущего поля к базе изготавливается два контакта, к которым прикладывается напряжение смещения. В результате через базу протекает паразитный ток, который сильно уменьшает коэффициент преобразования тока, проходящего через прибор, в полезный сигнал изменения тока коллектора в магнитном поле.
В патентах США /6, 7/ несколько коллекторных электродов располагаются вокруг эмиттера. Такой транзистор с расщепленным коллектором позволяет почувствовать три компоненты вектора индукции магнитного поля, но не дает возможности разделить полезный сигнал по составляющим вектора магнитной индукции в силу их перекрестного вклада в выходной сигнал.
В патенте РФ /8/ предлагается полупроводниковый прибор, чувствительный к магнитному полю, в виде латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, содержащего монокристаллическую подложку, глубокий карман, расположенные внутри кармана области контактов к базе, эмиттер, первый и второй рабочие коллекторы, расположенные вне кармана первый и второй контакты к подложке, диффузионные области контактов к базе расположены ближе к эмиттеру, чем рабочие коллекторы, размеры областей контактов к базе более или равны ширине и глубине кармана, а контакты к базе и контакты к подложке подключаются к одному источнику питания.
Основной недостаток этого прибора состоит в том, что вместе с инжектированными электронами в подложку проникают электроны и дырки, которые создают взаимодействие элементов в интегральной схеме. Транзисторы имеют относительно большой начальный разбаланс токов коллекторов. Применение их в составе интегральных схем затруднено из-за разбаланса токов и влияния токов подложки на соседние элементы интегральной схемы.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является патент на изобретение /9/, в котором предлагается полупроводниковый магнитный преобразователь, содержащий 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, расположенные внутри базовой области; области сильнолегированных контактов к базе; диффузионный карман, отделяющий базовую область от подложки, 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 р-n-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. При полосковой геометрии эмиттера и коллекторов, равноудаленных от эмиттера, ортогональная чувствительность практически равна нулю.
Задачей изобретения является увеличение чувствительности полупроводникового магнитного преобразователя к магнитной индукции, направленной перпендикулярно поверхности кристалла.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в планарном магнитотранзисторном преобразователе предусмотрены следующие отличия от прототипа: между областями эмиттера и областями коллекторов выбирается переменная величина расстояния, ширина коллекторов увеличивается при увеличении расстояния от эмиттера до коллектора, коллекторы расположены попарно с каждой стороны эмиттера и имеют разные углы наклона между сторонами эмиттера и коллекторов, левые и правые относительно эмиттера коллекторы соединены металлизацией и имеют два общих вывода коллекторов.
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. С каждой стороны от эмиттера расположены по два коллектора под углом к краю эмиттера. Смещение линий тока в магнитном поле переводит их в область базы с увеличенной для одного коллектора эффективной длиной базы. Для другого коллектора эффективная длина базы уменьшается. На измененной длине базы увеличивается сопротивление и рекомбинация около одного коллектора, что приводит к уменьшению тока коллектора. Для другого коллектора уменьшается сопротивление и рекомбинация и увеличивается ток коллектора. 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. Прибор работает без тянущего поля в базе и без паразитного тока. Поэтому возрастает относительная чувствительность прибора, определяемая по отношению изменения тока коллекторов к общему току, проходящему через прибор. Форма коллекторов изменяется с учетом плотности тока инжектированных носителей заряда на разных участках коллекторов, удаленных от эмиттера на разное расстояние.
Изобретение позволяет повысить чувствительность полупроводникового магнитного преобразователя к вектору магнитной индукции, направленному перпендикулярно поверхности кристалла.
На фиг.1 представлено поперечное сечение структуры планарного магнитотранзисторного преобразователя, где 1 - монокристаллическая подложка первого типа проводимости с 2 - главной поверхностью и 3 - обратной стороной; 4 - глубокий диффузионный карман второго типа проводимости, служащий р-n-переходной изоляцией от остальной схемы; 5 - диффузионный базовый слой первого типа проводимости, сформированный в кармане 4, глубиной менее глубины кармана 4; 6 - левый и 7 - правый омические контакты к базовому слою 5; 8 - эмиттер второго типа проводимости, расположенный в центре базового слоя 5 на главной поверхности кристалла 2; 9 - левый и 10 - правый измерительные коллекторы второго типа проводимости, расположенные в базовом слое 5; 11 - левый и 12 - правый омические контакты к карману 4; 13 - левый и 14 - правый омические контакты к подложке 1; 15 - изолирующий окисел; 16 - металлизация.
На фиг.2 представлена схема изменения в магнитном поле линий тока инжектированных носителей заряда, где Э - эмиттер планарного магнитотранзисторного преобразователя, два К1 - и К2 - коллекторы, Б - контакт к базе. Показано, каким образом Je(0) линии тока потоков инжектированных носителей изменяют под действием силы Лоренца в магнитном поле с индукцией В свою конфигурацию Je(B) по отношению к коллекторам К1 и К2, которые наклонены под разным углом к эмиттеру Э. Линии тока, текущего к коллектору К1, удлиняются, а крайняя к коллектору К2 линия отклоняется к коллектору К2. Линии тока, текущего к коллектору К2, укорачиваются, и к ним добавляются линии тока от коллектора К1. Изменение эффективной длины линий тока изменяет сопротивление в соответствии с эффектом Гаусса и изменяет коэффициент переноса носителей заряда через базу с учетом рекомбинации на эффективной длине базы. Гальваномагнитный эффект отклонения определяет перераспределение линий тока между коллекторами. В результате действия магнитного поля по указанным эффектам ток коллектора К1 уменьшается, а ток коллектора К2 увеличивается.
ЭК
k
K
K
K
ЭК
На фиг.3 представлены зависимости тока коллекторов от расстояния до эмиттера - А) и от ширины коллектора - Б). В полосковой структуре полупроводникового магнитного преобразователя с равномерным удалением коллектора от эмиттера при увеличении расстояния между эмиттером и коллектором L и заданном смещении по току базы ток коллектора Iуменьшается по экспоненте. В полосковой структуре с равномерным удалением коллектора от эмиттера при заданном расстоянии от коллекторов до эмиттера и при увеличении ширины полоски коллектора D ток коллектора I по экспоненте увеличивается. В планарном магнитотранзисторном преобразователе с переменным расстоянием между эмиттером и коллектором в соответствии с зависимостью I (L) будет разная плотность тока в разных частях коллектора. Для выравнивания плотности тока в коллекторных областях их ширина изменяется. Более удаленные от эмиттера части коллекторных областей расширяются.
На фиг.4 представлена схема изменения в магнитном поле линий тока инжектированных носителей заряда планарного магнитотранзисторного преобразователя с двумя измерительными коллекторами и дополнительным коллектором, где Э - эмиттер, К1, К2 - коллекторы, Б - контакт к базе и дополнительный коллектор КД с площадью, большей площади коллекторов К1, К2. Показано, каким образом линии тока потоков инжектированных носителей Je(0) изменяют под действием силы Лоренца в магнитном поле с индукцией В свою конфигурацию Je(B) по отношению к коллекторам К1 и К2, которые наклонены под разным углом к эмиттеру Э. Линии тока, текущего к коллектору К1, удлиняются, а крайняя к коллектору К2 линия отклоняется к коллектору КД. Линии тока, текущего к коллектору К2, укорачиваются, и к ним добавляются линии тока от коллектора КД. Изменение эффективной длины линий тока изменяет сопротивление в соответствии с эффектом Гаусса и изменяет коэффициент переноса носителей заряда через базу с учетом рекомбинации на эффективной длине базы. Гальваномагнитный эффект отклонения определяет перераспределение линий тока между коллекторами. Сила Лоренца пропорциональна величине тока. Наибольшее абсолютное изменение испытывает большой ток дополнительного коллектора КД, а для маленьких токов измерительных коллекторов К1 и К2 вклад добавок тока от дополнительного коллектора приводит к большому относительному изменению токов измерительных коллекторов и получению высокой чувствительности. В результате действия магнитного поля по указанным эффектам ток коллектора К1 уменьшается, а ток коллектора К2 увеличивается.
K1
K2
K1
K1-1
K1-2
K1-3
K1-4
K2
K2-1
K2-2
K2-3
K2-4
На фиг.5 представлена топология планарного магнитотранзисторного преобразователя для конкретного прибора, где Э - эмиттер квадратной формы, Б - контакты к базе, К1-1, К1-2, К1-3, К1-4, К2-1, К2-2, К2-3, K2-4 - восемь коллекторов с переменным расстоянием от эмиттера до коллекторов и переменной шириной коллекторов, КК - контакты к карману, К1 - вывод одного коллектора и К2 - вывод второго коллектора. Особенностью топологии является расположение восьми коллекторных областей по два коллектора с каждой стороны квадратного эмиттера. Края областей коллекторов и эмиттера составляют угол 45°. Ближний край коллекторов удален от эмиттера на 28 мкм. Дальний край коллекторов удален от эмиттера на 56 мкм, поэтому коллекторы на дальнем краю шире ближнего края в 2 раза. Металлизация соединяет по четыре правых относительно стороны эмиттера и четыре левых коллектора на два выхода. 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 четырех токов I(B=0)=I(B=0)+I(В=0)+I(В=0)+I(В=0); I(В=0)=I(В=0)+I(В=0)+I(В=0)+I(В=0).
k1
k2
K1
K1-1
K1-2
K1-3
K1-4
K2
K2-1
K2-2
K2-3
K2-4
⊥
⊥
⊥
⊥
⊥
⊥
⊥
⊥
⊥
⊥
⊥
⊥
В магнитном поле с вектором магнитной индукции, направленным перпендикулярно поверхности кристалла, ток одного коллектора увеличивается, а другого уменьшается I(B)≠I(B). Каждый ток складывается из четырех токов I(B)=I(B)+I(В)+I(В)+I(В); I(В)=I(В)+I(B)+I(В)+I(В). Изменение токов в магнитном поле имеет одинаковый знак для каждого из четырех коллекторов.
K1-1
K1-3
K1-2
K1-4
K2-1
K2-3
k2-2
K2-4
В магнитном поле с вектором магнитной индукции, направленным параллельно поверхности кристалла, ток коллекторов не изменяется. Изменение тока пар коллекторов, входящих в объединенную четверку коллекторов и расположенных с двух сторон от эмиттера и от направления действия вектора магнитной индукции, идет в противоположном направлении и компенсирует друг друга. dI(B║)+dI(В║)=0; dI(B║)+dI(B║)=0; dI(B║)+dI(B║)=0; dI(B║)+dI(B║)=0.
1
1
K1
K2
Контакты к базе и к карману расположены с четырех сторон от эмиттера и обеспечивают протекание тока во все стороны от эмиттера. Прибор имеет пять внешних выводов: 1) Э-П - эмиттера и подложки, 2) КК-1, КК-2 - кармана, 3) Б - базы, 4) К1, К12 - коллектора первого, 5) К2, К22 - коллектора второго. 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.
На фиг.6 представлена топология планарного магнитотранзисторного преобразователя для конкретного прибора с переменными расстоянием от восьмигранного эмиттера до коллекторов и переменной шириной коллекторов, где Э - вывод эмиттера, Б - вывод базы, КК - вывод от контакта к карману, К1 - вывод первого коллектора, К2 - вывод второго коллектора. Края областей коллекторов и эмиттера составляют угол 45°. Ближний край коллекторов удален от эмиттера на 28 мкм. Дальний край коллекторов удален от эмиттера на 38 мкм. Коллекторы на дальнем краю шире ближнего края в 1,4 раза. Особенностью топологии является расположение шестнадцати коллекторных областей по две с каждой стороны восьмигранного эмиттера. Металлизация соединяет по восемь правых относительно стороны эмиттера и восемь левых коллекторов на два выхода. Коллекторы имеют одинаковый размер и соединены симметрично, поэтому без магнитного поля по ним проходит одинаковый ток. Большее количество коллекторов позволяет приблизить их расположение к круговому и снижает требования к расширению частей коллекторов, удаленных от эмиттера.
БЭ
К1
К2
Э·
На фиг.7 показана схема включения напряжения на электроды прибора в составе датчиков, где Б - вывод контактов к базе, КК - вывод контактов к карману, К1, К2 - выводы измерительных коллекторов, Э - вывод контакта к эмиттеру, П - вывод контакта к подложке. На Б подается напряжение смещения базы относительно эмиттера и подложки U; на К1 и К2 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.
К1
К2
БЭ
-1
На фиг.8 дана зависимость токов измерительных коллекторов I, I и относительной по току магнитной чувствительности Sr от напряжения смещения базы U для конкретного прибора. Измерение чувствительности проводилось в постоянном магнитном поле с магнитной индукцией B=1 Т, направленной перпендикулярно поверхности кристалла. В зависимости от напряжения смещения относительная магнитная чувствительность по току изменяется вблизи значения 0,12 Т. Относительная по току магнитная чувствительность определена по формуле
К1
К1
К2
К2
К1
К2
0
Sr=[I(B)-I(0)-I(B)+I(0)]/[I(0)+I (0)]•B.
Функционирование планарного магнитотранзисторного преобразователя происходит следующим образом. 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.
Схема подачи напряжения на прибор с введением электрического соединения между контактами к базе и контактами к карману, показанная на фиг.7, обеспечивает отсутствие напряжения смещения на p-n-переходе подложка-карман и внешнего электрического поля в кармане. В отсутствие внешнего электрического поля в подложке около кармана данная структура определяет диффузионный механизм протекания потока инжектированных из эмиттера носителей тока через базу, переход база-карман, через карман в сторону подложки. В базе, кармане и подложке происходит рекомбинация инжектированных носителей тока в объеме полупроводника с носителями тока другого знака, вытекающими из контактов к базе и диффундирующих в карман и в подложку, обеспечивая сохранение электронейтральности в объеме полупроводника компенсацией зарядов носителей тока разного знака. Таким образом, практически исключается зависимость параметров прибора от состояния поверхности прибора, что важно для получения стабильности характеристик. В структуре с дополнительным коллектором на эти коллекторы подается такое же напряжение смещения, какое подается на третий коллектор - карман.
Перечисленные на фиг.1 конструктивные элементы выполнены по технологии КМОП интегральных схем следующим образом. Для определенности считаем, что подложка 1 кремниевая и имеет р-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования области кармана 4 n-типа проводимости с помощью фотолитографии, ионного легирования и термической разгонки. Далее с применением тех же технологических процессов формируются области р-типа проводимости базового слоя 5, подлегирования контактов к базе 6, 7, к подложке 13, 14. Изготовление структуры продолжается формированием областей n-типа проводимости контактов к карману 11, 12, эмиттера 8 и измерительных коллекторов 9, 10, а также дополнительных коллекторов КД. Для обеспечения соединения планарного магнитотранзисторного преобразователя 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 магнитотранзисторным преобразователем 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, а 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 магнитотранзисторный преобразователь 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.C. / 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 г., т.12, №1, стр.48-50.
4. R.Popovic, H.P.Baltes / Sensitive magnetotransistor magnetic field sensor // Патент США 4,700,211.
5. L.W.Davies, M.S. Wells / Magnetotransistor 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., Ревелева М.А., Тихонов Р.Д. / Полупроводниковый прибор, чувствительный к магнитному полю // Патент РФ 2239916.
9. Козлов А.В., Тихонов Р.Д. / Полупроводниковый магнитный преобразователь // Патент РФ 2284612 - прототип.