ОРТОГОНАЛЬНЫЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ORTHOGONAL MAGNETOTRANSISTOR 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.
-1
В патенте США [1] 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% T. Основную роль в перераспределении носителей заряда играет модулируемая инжекция 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 при переходе карман-подложка третьим коллектором через переход проникает ток инжектированных носителей заряда, то есть переход карман-подложка не обеспечивает изоляцию прибора.
В патентах США [2, 3] 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 [4] 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 [5], 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 p-n-переход, который хорошо 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 ортогонального магнитотранзисторного преобразователя к магнитной индукции, направленной перпендикулярно поверхности кристалла.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в ортогональном магнитотранзисторном преобразователе предусмотрены следующие отличия от прототипа: магнитное поле, перпендикулярное подложке, в месте расположения активной области магнитотранзистора преобразуется трансформером в магнитное поле, параллельное подложке, нагрузки коллекторов и цепь смещения базы и кармана выполнены на полевых транзисторах с затвором в виде p-n-перехода с заданным соотношением ширины канала более 2:1 в задающем ток базы и кармана полевом транзисторе и в полевых транзисторах нагрузки коллекторов, полевые транзисторы нагрузки коллекторов соединены по схеме токового зеркала.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. В ортогональном магнитотранзисторном преобразователе трансформер в виде металлического кольца на поверхности кристалла преобразует перпендикулярный плоскости кольца магнитный поток внешнего магнитного поля в ток, протекающий в кольцевом проводнике. Протекание тока по металлическому кольцу создает магнитное поле, которое на малом расстоянии от плоской поверхности проводника имеет по сравнению с внешним полем перпендикулярное направление и величину большую, чем величина внешнего поля. Металлизация кольца проходит над активной областью латерального магнитотранзистора и позволяет повысить чувствительность к магнитному полю, перпендикулярному поверхности кристалла. В ортогональном магнитотранзисторном преобразователе полевые транзисторы имеют нелинейную вольт-амперную характеристику и низкий уровень шумов. Нелинейность характеристики позволяет при достаточно большом токе коллекторов иметь высокое дифференциальное сопротивление нагрузки, что при изменении тока коллекторов магнитотранзистора в магнитном поле повышает чувствительность датчика по напряжению. Соединение полевых транзисторов нагрузки коллекторов по схеме токового зеркала повышает чувствительность датчика по напряжению. Малый уровень шума полевых транзисторов с затвором в виде p-n-перехода повышает пороговую чувствительность и обнаружительную способность датчика. Полевые транзисторы с затвором в виде p-n-перехода используются в цепи смещения базы и кармана и позволяют установить необходимое пропорциональное ширине каналов соотношение тока коллекторов и тока смещения базы и кармана для работы датчика в режиме с высокой чувствительностью.
Изобретение позволяет повысить чувствительность ортогонального магнитотранзисторного преобразователя к вектору магнитной индукции, направленному перпендикулярно поверхности кристалла.
На фиг.1 представлен условный чертеж ортогонального магнитотранзисторного преобразователя, где: 1 - монокристаллическая подложка; 2 - задающие ток смещения базы и кармана полевые транзисторы с затвором в виде p-n-перехода; 3 - металлическое кольцо трансформера; 4 - коллекторная нагрузка на полевых транзисторах с затвором в виде p-n-перехода; 5 - магнитотранзистор; 6 - активная область магнитотранзистора; И - исток, З - затвор, С - сток полевых транзисторах с затвором в виде p-n перехода; Э - эмиттер, Б - база, К1, К2 - коллекторы, Кр - карман магнитотранзистора; Епит - напряжение питания, Выход - выходное напряжение, Земля - общий потенциал.
На фиг.2 представлено поперечное сечение структуры ортогонального магнитотранзисторного преобразователя, где: 7 - главная поверхность и 8 - обратная сторона монокристаллической подложки; 9 - глубокий диффузионный карман второго типа проводимости, служащий p-n-переходной изоляцией от остальной схемы; 10 - диффузионный базовый слой первого типа проводимости, сформированный в кармане 9, глубиной менее глубины кармана 9; 11 - и 12 - омические контакты к базовому слою 10; 13 - эмиттер второго типа проводимости, расположенный в центре базового слоя 10 на главной поверхности кристалла 7; 14 - первый и 15 - второй измерительные коллекторы второго типа проводимости, расположенные в базовом слое 10; 16 - и 17 - омические контакты к карману 9; 18 - и 19 - омические контакты к подложке 1; 20 - изолирующий окисел; 21 -металлизация 1; 22 - пассивация; 23 - металлизация 2.
На фиг.3 представлена схема преобразования внешнего ортогонального потока магнитной индукции в магнитную индукцию с направлением, перпендикулярным линиям тока инжектированных из эмиттера носителей заряда в активной области магнитотранзистора, где: Ф - поток магнитной индукции внешнего магнитного поля; I - ток в металлизации 2 кольцевого трансформера; B - магнитная индукция в активной области магнитотранзистора; Je1 - поток инжектированных электронов, протекающий в направлении коллектора 14; Je2 - поток инжектированных электронов, протекающий в направлении коллектора 15.
БК
K1
K2
БК
K1
K2 -
На фиг.4 показана электрическая схема ортогонального магнитотранзисторного преобразователя, где: Б - вывод контактов к базе, K - вывод контактов к карману, K1, K2 - выводы измерительных коллекторов, Э - вывод контакта к эмиттеру, П - вывод контакта к подложке, U - напряжение смещения базы и кармана, U, U - напряжение на коллекторах, Епит - напряжение источника питания, ПТ - полевой транзистор для задания тока смещения базы и кармана, ПТ и ПТ полевые транзисторы нагрузки коллекторов; на эмиттер Э и подложку П задается потенциал Земля.
A
V
На фиг.5 дана зависимость абсолютной магнитной чувствительности по напряжению S  от величины магнитной индукции 0,05-50 мТл при напряжении питания 5 В в магнитном поле соленоида для конкретного прибора магнитотранзисторного датчика с трансформером и на полевых транзисторах с затвором в виде p-n-перехода.
Функционирование ортогонального магнитотранзисторного преобразователя определяется преобразованием магнитного потока трансформером.
Латеральный магнитотранзистор нечувствителен к магнитному потоку Ф (фиг.3) и обладает анизотропной чувствительностью к магнитной индукции B, направленной перпендикулярно линиям тока инжектированных из эмиттера в сторону коллекторов потоков носителей заряда - электронов Je1 и Je2. Гальваномагнитный эффект отклонения под действием силы Лоренца определяет перераспределение линий тока между коллекторами. Изменение эффективной длины линий тока в магнитном поле с индукцией В, указанных пунктиром, изменяет сопротивление в соответствии с эффектом Гаусса и изменяет коэффициент переноса носителей заряда через базу с учетом рекомбинации на эффективной длине базы. В результате действия магнитного поля в соответствии с указанными эффектами ток коллектора 14 увеличивается, а ток коллектора 15 уменьшается. В итоге разность падений напряжения на равных сопротивлениях нагрузки в цепи измерительных коллекторов является функцией величины магнитного поля, действующего перпендикулярно поверхности кристалла.
В большом магнитном поле более 50 мТл на фиг.5 величина сигнала ограничивается величиной напряжения питания и, соответственно, размахом напряжения коллекторов, равного половине напряжения питания.
Перечисленные на фиг.1, фиг.2 конструктивные элементы ортогонального магнитотранзисторного преобразователя выполнены по технологии КМОП интегральных схем следующим образом. Подложка 1 кремниевая и имеет p-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования области кармана 9 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 10, подлегирования контактов к базе 11, 12, к подложке 18, 19. Изготовление структуры продолжается формированием областей n-типа проводимости контактов к карману 16, 17, эмиттера 13 и измерительных коллекторов 14, 15. Для обеспечения соединения магнитотранзисторного датчика с трансформером и на полевых транзисторах с затвором в виде p-n-перехода с внешней электрической схемой на поверхности кристалла выращивается диэлектрический слой диоксида кремния 20, в этом слое с применением фотолитографии формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка 21. 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. Для защиты датчика от внешних воздействий наносится слой фосфорно-силикатного стекла 22 и в нем с применением фотолитографии формируются окна к контактным площадкам. На слой фосфорно-силикатного стекла наносится слой второй металлизации 23 и с применением фотолитографии формируется трансформер.
Описанным выше ортогональным магнитотранзисторным преобразователем пользуются для создания датчиков магнитного поля различного назначения следующим образом. Как показано на фиг.5, на выводы прибора подается напряжение: от источника питания подается напряжение Епит и через полевые транзисторы задается ток смещения на базовые контакты и на контакты к карману, на эмиттер и на подложку подается потенциал Земли. С выводов коллекторов и нагрузки коллекторов на полевых транзисторах с затвором в виде p-n- перехода снимается напряжение  UK2-UK1. 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 в ортогональном магнитотранзисторном преобразователе возникает асимметрия линий тока, соответственно, ток одного рабочего коллектора уменьшается, а ток другого коллектора увеличивается. На одинаковых нагрузках возникают различные падения напряжения, и между коллекторами возникает разность напряжений UK2-UK1, которая зависит от величины магнитного поля.
Ортогональный магнитотранзисторный преобразователь обладает новым качеством - чувствительностью к магнитной индукции, направленной перпендикулярно к поверхности кристалла. Вместе с повышением чувствительности повышается обнаружительная способность датчика и снижается разбаланс тока измерительных коллекторов.
Источники информации
1. R.Popovic, H.P.Baltes/ Sensitive magnetotransistor magnetic field sensor // Патент США №4700211.
2. L.Ristic / Magnetic field sensor with split collector contact for high sensitivity// Патент США 5179429.
3. L.Ristic / Collector arrangement for magnetotransistor// Патент США 5323050.
4. Козлов A.B., Ревелева М.А., Тихонов Р.Д. / Полупроводниковый прибор, чувствительный к магнитному полю // Патент РФ 2239916.
5. Козлов А.В., Тихонов Р.Д./ Полупроводниковый магнитный преобразователь // Патент РФ 2284612 - прототип.