МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована при разработке таких магниточувствительных устройств, как источники возобновляемой энергии, высокочувствительные датчики тока и магнитного поля, преобразователи, переключатели и др.
Основное применение магниточувствительных приборов и устройств заключается в построении на их основе устройств автоматики, медицинского оборудования, автомобильной электроники, систем безопасности, навигации, зондирования 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.
Известен полевой магнитотранзистор, представляющий собой МДП-транзистор, имеющий в канале дополнительные боковые омические контакты для вывода возникающего при помещении в поперечное магнитное поле ЭДС Холла, пропорционального величине внешнего магнитного поля (см. Викулин И.М., Викулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы. - М.: Радио и связь, 1983. - с.74-78).
Известен двухстоковый МОП-магнитотранзистор, содержащий в полупроводниковой пластине первого типа проводимости область второго типа проводимости, окруженную диэлектрической изоляцией, внутри которой сформированы три подконтактных области токовых контактов первого типа проводимости, контакты к ним и электрод затвора, отличающийся тем, что в электроде затвора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов, имеющие размеры не менее размеров окон, по периметру окон расположена боковая диэлектрическая изоляция, края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции выполнена низкоомная область второго типа проводимости шириной не менее расстояния между этими краями (см. Амеличев В.В., Галушков А.И., Романов И.М., Чаплыгин Ю.А. Двухстоковый МОП-магнитотранзистор // Патент №2097873 от 11.04.1996).
Известен магнитный полевой транзистор с горизонтально разделённым стоком, который может использоваться для измерения постоянных и переменных магнитных полей (см. Kordalski W., Polowczyk M., and Panek M. Horizontally-split-drain MAGFET - a highly sensitive magnetic field sensor, Bulletin of the Polish, Technical Sciences, Vol. 55, No. 3, 2007, pp.325-329). Устройство представляет собой n-канальный МОП - транзистор с двумя стоками и двумя затворами, работающий в режиме усиления. Две области стока расположены одна под другой и изолированы друг от друга горизонтальным изолирующим слоем. Ток в канале транзистора разделяется на два части, направленные к соответствующему стоку. В отсутствие внешнего магнитного поля подачей соответствующего потенциала на затворы транзистора токи стоков выравниваются. Во внешнем магнитном поле, направленном перпендикулярно движению электронов, на носителей заряда действует сила Лоренца, заставляя их отклоняться от первоначальной траектории к поверхности или в глубь полупроводника в зависимости от полярности внешнего магнитного поля.
Известен инжекционно-полевой магнитотранзистор, отличающийся от полевого тем, что один из его омических контактов к каналу заменен p-n переходом, включаемым в прямом направлении (см. Викулин И.М., Викулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы. - М.: Радио и связь, 1983. - с.83-84). Под действием поперечного магнитного поля увеличивается напряжение включения и остаточное напряжение транзистора.
Известен магнитоэлектрический транзистор с гибким затвором, состоящий из n-канального МОП транзистора с расширенным затвором и кантилевера из магнитострикционного материала, выполняющая роль второго затвора, отделённого от первого затвора транзистора воздушным зазором (см. Li F. and et. Magnetoelectric flexural gate transistor with nanotesla sensitivity, Journal of Microelectromechanical Systems, 2013, 22(1), 71-79). Внешнее переменное магнитное поле за счет магнитострикции вызывает изгибное движение кантилевера, которое, в свою очередь, модулирует емкость воздушного зазора между затворами. Модуляция емкости воздушного зазора приводит к модуляции плотности заряда канала МОП транзистора и проявляется в модуляции тока стока.
Недостатками известных конструкций магнитотранзисторов являются малый динамический диапазон, низкая магниточувствительность и необходимость больших магнитных полей.
x
1-x
Наиболее близким по техническому решению является магнитный транзистор с высокой подвижностью электронов на основе нитрида галлия (GaN MagHEMT). Магнитотранзистор состоит из кремниевой подложки, эпитаксиальной гетероструктуры GaN/AlGaN/GaN с градиентными слоями AlGaN и двумя стоками. В отсутствие внешнего магнитного поля ток стока транзистора делится на две равные части. Внешнее магнитное поле, приложенное перпендикулярно направлению движения тока в канале, за счет действия силы Лоренца отклоняет траекторию движения электронов, что приводит к разбалансированию тока стоков пропорционально величине внешнего магнитного поля. На одном стоке ток увеличивается, на другом - уменьшается (см. Thomas B.R. and et. Study of GaN Dual-Drain Magnetic Sensor Performance at Elevated Temperatures, IEEE Transactions on Electron Devices, Volume 66, Issue 4, 8663610, pp. 1937 - 1941, 2019) - прототип.
Недостатками прототипа являются малый динамический диапазон, низкая магниточувствительность и необходимость больших магнитных полей.
Задачей предложенного решения является повышение чувствительности к магнитному полю.
Поставленная задача достигается тем, что в магнитоэлектрическом (МЭ) полевом транзисторе, состоящем из подложки, области проводящего канала, истока, стока и затвора, в качестве подложки используется композиционная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура с градиентом намагниченности, состоящая из высокоомного пьезополупроводникового слоя и магнитострикционного слоя с градиентом намагниченности.
Предложен магнитоэлектрический (МЭ) полевой транзистор, состоящий из подложки, области проводящего канала, истока, стока и затвора, в котором вместо полупроводниковой подложки используется композиционная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура с градиентом намагниченности, работающая в области изгибных колебаний электромеханического резонанса.
Для реализации МЭ полевого транзистора предлагается вместо полупроводниковой подложки использовать композиционную магнитострикционно-пьезополупроводниковую структуру с градиентом намагниченности, состоящую из высокоомного пьезополупроводникового слоя (например, GaAs, GaN, AlN, SiC или др.) и магнитострикционного слоя с градиентом намагниченности (например, метглас/никель или др.), работающую в области изгибных колебаний, необходимую для управления сопротивлением проводящего канала и током стока 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 полевого транзистора.
Прибор состоит из композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры с градиентом намагниченности, состоящей из высокоомного пьезополупроводникового слоя 1 и магнитострикционного слоя с градиентом намагниченности 2, области проводящего канала 3, истока 4, стока 5 и затвора 6.
Прибор работает следующим образом.
0
За счет внутреннего магнитного поля H магнитострикционный слой с градиентом намагниченности намагничивается до насыщения в направлении, показанном на фиг.1. Внешнее поперечное переменное модулирующее магнитное поле h(t), ориентированное в направлении, показанном на фиг.1, приводит к периодической механической деформации магнитострикционного слоя с частотой модуляции за счет магнитострикции. Возникающие в магнитострикционном слое механические деформации, благодаря механической связи, передаются высокоомному пьезополупроводниковому слою. Модулированные механические деформации в высокоомном пьезополупроводниковом слое приводят к возникновению ЭДС в результате пьезоэлектрического эффекта, модуляции длины проводящего канала, искривлению траектории движения носителей заряда под действием силы Лоренца и модуляции сопротивления проводящего канала пропорционально величине внешнего магнитного поля. Модуляция сопротивления проводящего канала приводит к изменению тока стока 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, состоящей из высокоомного пьезополупроводникового слоя и магнитострикционного слоя 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 полевого транзистора.
Таким образом, предлагаемая конструкция МЭ полевого транзистора позволяет повысить чувствительность к магнитному полю таких устройств на его основе, как источники возобновляемой энергии, высокочувствительные датчики тока и магнитного поля, преобразователи, переключатели и др.