ТРЕХКОЛЛЕКТОРНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОР С ОРТОГОНАЛЬНЫМИ ПОТОКАМИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
THREE-COLLECTOR BIPOLAR MAGNETOTRANSISTOR WITH ORTHOGONAL FLOWS OF CHARGE CARRIERS

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, благодаря возможности создания их на одном кристалле с последующей схемой обработки сигнала, а также интеграции в элементы микросистемной техники.
-1
Боковой (латеральный) транзистор с расположением электродов коллекторов, эмиттера и контактов к базе на поверхности кристалла обеспечивает получение высокой чувствительности /1/. 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. Экспериментально установлено, что магниточувствительность определяется изменением коэффициента передачи тока эмиттер-коллектор между эмиттером и коллекторами во внешнем поперечном магнитном поле. Магнитоконцентрационные явления понимаются, как изменение концентрации инжектированных носителей за счет поверхностной рекомбинации на длине базы в магнитном поле, прижимающем с одной стороны от эмиттера носители к поверхности и отодвигающем от поверхности с другой стороны эмиттера. Этот эффект дает нелинейность изменения тока каждого коллектора в зависимости от величины магнитного поля при больших расстояниях между эмиттером и коллекторами. Разность токов коллекторов имеет линейную зависимость от индукции. Величина магнитоконцентрационного эффекта зависит от параметров базового материала, от отношения длины базы к диффузионной длине неосновных носителей заряда и от скорости поверхностной рекомбинации. Относительная чувствительность по току составила 1,9 Тл. Магниточувствительность при магнитоконцентрационном эффекте значительно больше, чем в эффекте отклонения. 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 /2/ 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 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 1 Тл. Основную роль в перераспределении носителей заряда играет модуляция инжекции в результате изменения потенциалов на левой и правой границах эмиттерного p-n-перехода при действии силы Лоренца в магнитном поле. Этот прибор чувствителен преимущественно к магнитному полю, направленному вдоль поверхности кристалла. Недостатком датчика является то, что через переход карман-подложка проникает ток инжектированных носителей заряда, поэтому переход карман-подложка не обеспечивает достаточную изоляцию прибора.
-1
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является патент РФ на изобретение /3/, 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 p-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. 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 трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда является увеличение чувствительности и снижение начального разбаланса полупроводникового магнитного преобразователя к магнитной индукции, направленной параллельно поверхности кристалла.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в трехколлекторном биполярном магнитотранзисторе с ортогональными потоками носителей заряда предусмотрены существенные отличия от прототипа. Области эмиттера и коллекторов в виде полосок располагаются в области базы на расстоянии друг от друга. Контактные окна к эмиттеру и измерительным коллекторам имеют также форму полосок. Сильнолегированные области контактов к базе располагаются встык с торцами полоскового эмиттера. Взаимное расположение сильнолегированных областей контактов к базе и эмиттера создает протекание тока эмиттер-база в одном направлении, а взаимное расположение эмиттера и измерительных коллекторов создает ток коллектора в ортогональном направлении. Разница токов коллекторов в магнитном поле соответствует измеряемой составляющей вектора магнитной индукции, направленной параллельно поверхности кристалла, и определяет чувствительность. Протекание токов между сильнолегированными контактами к базе и эмиттером перпендикулярно токам между измерительными коллекторами и эмиттером исключает совмещение токов в пространстве и уменьшает начальный разбаланс токов измерительных коллекторов, возникающий из-за разбаланса токов между сильнолегированными контактами к базе и эмиттером.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, p-n-переход база-карман расположен ближе к эмиттеру и служит третьим коллектором. В третий коллектор течет поток инжектированных из эмиттера носителей заряда большей величины, чем в измерительные коллекторы. Токи между двумя сильнолегированными контактами к базе и эмиттером имеют большую величину по сравнению с токами измерительных коллекторов и не равны между собой. Последовательное расположение эмиттера, контактов к базе и измерительных коллекторов приводит к наложению токов эмиттер-база и эмиттер-измерительные коллекторы. При начальном разбалансе токов сильнолегированных контактов к базе и эмиттера возникает последовательное падение напряжений в пространстве между эмиттером и измерительными коллекторами, что влияет на начальный разбаланс токов эмиттер-измерительные коллекторы. Протекание потоков носителей заряда между сильнолегированными контактами к базе и эмиттером в общей области базы с потоками носителей между измерительными коллекторами и эмиттером приводит к разбалансу начальных токов измерительных коллекторов. Ортогональное расположение сильнолегированных контактов к базе и коллекторов относительно эмиттера исключает взаимное влияние токов сильнолегированных контактов к базе-эмиттер на начальный разбаланс токов измерительных коллекторов.
При воздействии магнитной индукции, направленной перпендикулярно потокам инжектированных из эмиттера носителей заряда, под действием силы Лоренца происходит ассиметричное изменение распределения потоков. В один измерительный коллектор течет больше поток, а в другой меньше. За счет паразитного начального разбаланса токов происходит изменение величины потоков измерительных коллекторов, что увеличивает порог чувствительности магнитотранзистора.
K1
K2
K1
K2
K1
K2
Изобретение трехколлекторный биполярный магнитотранзистор с ортогональными потоками носителей заряда позволяет снизить порог чувствительности полупроводникового магнитного преобразователя к составляющей вектора магнитной индукции, направленной параллельно поверхности кристалла. Прибор работает с малым начальным разбалансом, поэтому возрастает относительная чувствительность по току , которая определяется как изменение тока измерительных коллекторов I(В)-I(В) в магнитном поле с индукцией В при разбалансе начального тока коллекторов I(0)-I(0) относительно суммы начального тока коллекторов I(0)+I(0).
На фиг.1 представлено поперечное сечение объемной структуры трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда, где:
1 - сильнолегированный контакт к базе первого типа проводимости;
2 - эмиттер второго типа проводимости;
3 - монокристаллическая кремниевая подложка первого типа проводимости;
4 - диффузионный карман второго типа проводимости;
5 - измерительный коллектор второго типа проводимости;
6 - база первого типа проводимости.
Топология трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда представлена на фиг.2, где обозначение элементов:
Э - эмиттер;
К1 - измерительный коллектор первый;
К2 - измерительный коллектор второй;
Б - сильнолегированные области контактов к базе;
БЭ
I - направление тока между базой и эмиттером;
КЭ
I - направление тока между измерительными коллекторами и эмиттером.
Схема изменения в магнитном поле линий тока инжектированных из эмиттера носителей заряда трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда представлена на фиг.3, где:
1 - сильнолегированный контакт к базе первого типа проводимости;
7 - поток дырок из сильнолегированного контакта к базе в эмиттер;
8 - поток электронов из эмиттера в контакт к базе;
2 - эмиттер второго типа проводимости;
3 - монокристаллическая кремниевая подложка первого типа проводимости;
9 - поток электронов из эмиттера в измерительный коллектор через область базы;
4 - диффузионный карман второго типа проводимости;
10 - поток электронов из эмиттера в измерительный коллектор через область p-n-перехода база-карман;
5 - измерительный коллектор второго типа проводимости;
6 - база первого типа проводимости.
В - вектор магнитной индукции, направленный параллельно поверхности подложки;
h
J - поток носителей заряда из сильнолегированного контакта к базе в эмиттер;
eb
J - поток носителей заряда из эмиттера в сильнолегированный контакт к базе;
ec
J - поток носителей заряда измерительного коллектора без магнитного поля;
ec
dJ - поток носителей заряда измерительного коллектора в магнитном поле;
ew
J - поток носителей заряда, переходящий от потока носителей заряда в третий коллектор-карман;
ew
dJ - дополнительный поток носителей заряда измерительного коллектора в магнитном поле, переходящий от потока носителей заряда в третий коллектор-карман.
Схема включения напряжения на электроды прибора трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда в составе датчиков выполнена так, как показано на фиг.4, где:
П - вывод от контакта к подложке;
К - вывод от контактов к карману;
Б - вывод от контактов к базе;
Э - вывод от эмиттера;
К1 - вывод от первого коллектора;
К2 - вывод от второго коллектора;
ЭП
U - напряжение на эмиттере и подложке;
БК
U - напряжение смещения на базе и на кармане;
K1
U - напряжение на первом коллекторе;
K2
U - напряжение на втором коллекторе.
Э
K1
K2
На фиг.5 дана для конкретного прибора трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда зависимость от тока эмиттера I начального разбаланса напряжения измерительных коллекторов U(0)-U(0), абсолютной чувствительности по напряжению  и их отношения при величине магнитной индукции В=5 мТл при сопротивлении нагрузки коллекторов 219 кОм.
Представленное на фиг.1 объемное поперечное сечение структуры трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда показывает, что в монокристаллической подложке первого типа проводимости 3 формируется диффузионный карман второго типа проводимости 4 и слой базы первого типа проводимости 6. На поверхности подложки в слое базы формируют сильнолегированный контакт к базе первого типа проводимости 1, эмиттер второго типа проводимости 2, измерительный коллектор второго типа проводимости 5. Поток дырок из сильнолегированного контакта к базе протекает в эмиттер. Из эмиттера поток электронов протекает в сильнолегированный контакт к базе и в измерительный коллектор через область базы, а также через область p-n-перехода база-карман. Особенность структуры состоит во взаимно ортогональных направлениях протекания токов сильнолегированный контакт к базе-эмиттер и измерительный коллектор-эмиттер.
Три топологических конфигурации на фиг.2 показывают отличие расположения электродов.
БЭ
КЭ
А. Обычно принятая топология с последовательным расположением электродов Э - эмиттера, К1 и К2 - измерительных коллекторов, Б - сильнолегированных областей контактов к базе. В этом случае I - направление тока между базой и эмиттером совпадает с I - направлением тока между измерительными коллекторами и эмиттером. Происходит наложение токов.
Б. Топология с расположением сильнолегированных областей контактов к базе около торцов полоски эмиттера.
В. Топология с расположением сильнолегированных областей контактов к базе около торцов полоски эмиттера. Имеется два контакта по краям полоски эмиттера, с размером более полосок коллекторов. Сильнолегированные области контактов к базе охватывают торцы эмиттера, выступающие за габарит полосок коллекторов.
БЭ
КЭ
В топологических конфигурациях Б, В направление тока между базой и эмиттером I ортогонально направлению токов между измерительными коллекторами и эмиттером I.
Схема изменения в магнитном поле с индукцией В линий тока инжектированных носителей заряда из эмиттера трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда представлена на фиг.3. Без магнитного поля поток дырок Jh из сильнолегированного контакта к базе 1 вызывает из эмиттера 2 потоки инжектированных носителей заряда Jeb(0)+Jec(0)+Jew(0), которые проходят к сильнолегированному контакту к базе 1 и к измерительному коллектору 5 через базу и через p-n-переход между базой 6 и карманом 4. Вектор магнитной индукции В направлен параллельно поверхности подложки и параллельно длинной стороне полосковых электродов. Протекающие к коллектору потоки инжектированных носителей заряда Jec(B), Jew(B) под действием силы Лоренца отклоняются к поверхности dJec(B), dJew(B) или удаляются от поверхности, что приводит к изменению длины линий тока. В соответствии с действием двух эффектов поток измерительного коллектора возрастает или уменьшается, что определяет дифференциальную относительную магниточувствительность по току трехколлекторного биполярного магнитотранзистора . На потоки между эмиттером и сильнолегированными контактами к базе Jeb(B), Jh(B) магнитная индукция, направленная параллельно токам, не действует.
БК
ЭП
БК
K1
K2
В составе датчиков магнитного поля схема включения напряжения трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда выполнена так (фиг.4), что на контакты к базе Б и к карману К подаются напряжения смещения базы и кармана U относительно эмиттера и контактов к подложке U. В соответствии с величиной тока смещения базы и кармана I, напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки измерительных коллекторов К1 и К2 на коллекторах устанавливаются потенциалы U, 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.
Как видно на фиг.5, при увеличении тока эмиттера значение начального разбаланса изменяется от небольшого положительного значения 1 мВ до минус 100 мВ, а чувствительность по напряжению увеличивается до 11 В/Тл. При максимальной чувствительности значение отношения разбаланса и чувствительности составляет 7,7 мВ/В/Тл или 7,7 мТл. В работе /4/ эквивалентное разбалансу магнитное поле при данной чувствительности называется offset и для магнитотранзистора с подавлением боковой инжекции этот параметр определен ±200 мТл. В трехколлекторном биполярном магнитотранзисторе с ортогональными потоками носителей заряда этот параметр значительно лучше.
K1
K2
Функционирование трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда 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). 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 параллельно поверхности кристалла.
Перечисленные на фиг.1 конструктивные элементы трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда выполнены по технологии КМОП интегральных схем следующим образом.
1 - сильнолегированный контакт к базе первого типа проводимости;
2 - эмиттер второго типа проводимости;
3 - монокристаллическая кремниевая подложка первого типа проводимости;
4 - диффузионный карман второго типа проводимости;
5 - измерительный коллектор второго типа проводимости;
6 - база первого типа проводимости.
Для определенности считаем, что монокристаллическая подложка 3 - кремниевая и имеет p-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования области диффузионного кармана 4 n-типа проводимости с помощью фотолитографии, ионного легирования и термической разгонки. Далее с применением тех же технологических процессов формируются области p-типа проводимости слоя базы 6, легирование омических контактов к базе 1, к подложке 3. Изготовление структуры продолжается формированием областей n-типа проводимости контактов к карману 4, эмиттера 2 и измерительного коллектора 5. Для обеспечения соединения планарного биполярного магнитотранзистора с внешней электрической схемой интегрального датчика на поверхности кристалла выращивается диэлектрический слой диоксида кремния, формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка. Для уменьшения влияния поверхностной рекомбинации на потоки инжектированных из эмиттера носителей заряда граница кремний-диоксид кремния имеет малую скорость поверхностной рекомбинации, что достигается применением хлорсодержащих газов при выращивании диоксида кремния.
Описанный выше трехколлекторный биполярный магнитотранзистор с ортогональными потоками носителей заряда используется 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 коллекторов. 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 параллельно поверхности кристалла, под действием силы Лоренца потоки инжектированных из эмиттера носителей заряда - электронов, текущие в противоположных направлениях к двум измерительным коллекторам трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда, испытывают отклонение в базе в разные стороны. При этом линии тока напротив одного коллектора укорачиваются, а напротив другого удлиняются. Возникает асимметрия линий тока, соответственно, ток одного рабочего коллектора увеличивается, а ток другого коллектора уменьшается. На одинаковых нагрузках возникает различие падения напряжения, и между коллекторами возникает разность напряжений, которая зависит от величины магнитного поля.
Трехколлекторный биполярный магнитотранзистор с ортогональными потоками носителей заряда обладает новым качеством - повышенной чувствительностью к магнитной индукции, направленной параллельно к поверхности кристалла. Вместе с повышением чувствительности снижается погрешность измерения из-за начального разбаланса тока измерительных коллекторов, что приводит к снижению порога чувствительности.
Источники информации
1. 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.
2. Патент США 4700211.
3. Патент РФ 2284612 - прототип.
4. A. Häberli, М. Schneider, P. Malcovati, R. Castagnetti, F. Maloberti, H. Baltes / 2D Magnetic Microsensor with On-Chip Signal Processing for Contactless Angle Measurement // IEEE Journal of Solid-State Circuits, v.31, pp.1902-1907, 1996.