ТРЕХКОЛЛЕКТОРНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОР
THREE-COLLECTOR BIPOLAR MAGNETIC TRANSISTOR

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 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 потока носителей заряда под действием силы Лоренца.
Перспективными элементами являются двухколлекторные биполярные магнитотранзисторы (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 двум коллекторам. Для увеличения магниточувствительности разрабатываются новые конструкции БМТ.
-1
Боковой (латеральный) транзистор 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. 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 отодвигающего 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 /4/ 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 pn-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 pn-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 /5/, 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 pn-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 является увеличение чувствительности полупроводникового магнитного преобразователя к магнитной индукции, направленной параллельно поверхности кристалла.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в трехколлекторном биполярном магнитотранзисторе предусмотрены существенные отличия от прототипа. Области эмиттера и коллекторов располагаются в области базы на расстоянии друг от друга, превышающем расстояние от границы области объемного заряда pn-перехода база-карман в два или более раз. Соотношение расстояний определяется необходимостью формирования потоков инжектированных носителей заряда вдоль границы области объемного заряда pn-перехода база-карман. Контакты к карману располагаются в кармане около границы pn-перехода база-карман напротив коллекторов. Контакты к базе располагаются между эмиттером и коллекторами и за счет сильного легирования ограничивают протекание тока инжектированных носителей заряда напрямую между эмиттером и коллекторами. Контакты к базе и контакты к карману соединены металлизацией. С каждой стороны от полоскового эмиттера расположены поверхности кристалла кремния, покрытые диоксидом кремния с малой скоростью поверхностной рекомбинации на границе раздела кремния и диоксида кремния. Эмиттер и контакты к подложке соединены металлизацией. Разница токов коллекторов в магнитном поле соответствует измеряемой составляющей вектора магнитной индукции направленной параллельно поверхности кристалла.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. Распределение потоков инжектированных из эмиттера носителей заряда трехколлекторного биполярного магнитотранзистора без магнитного поля имеет симметричный вид. Поскольку pn-переход база-карман расположен ближе к эмиттеру, постольку он служит третьим коллектором и в третий коллектор течет поток инжектированных из эмиттера носителей заряда большей величины, чем в измерительные коллекторы. 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. Вклад в изменение величины потоков дает эффект сокращения длины линий тока, проходящих к одному коллектору и увеличение длины линий тока, проходящих к другому коллектору. Кроме того, происходит эффект отклонения линий тока, проходящих к третьему коллектору на переходе база-карман. Часть тока, текущего в третий коллектор, отклоняется в сторону измерительного коллектора и добавляется к току коллектора, в котором ток увеличивается за счет эффекта сокращения длины линий тока. Часть тока отнимается от тока другого измерительного коллектора, в котором ток уменьшается за счет сокращения длины линий тока и ток этого коллектора дополнительно уменьшается. Таким образом, происходит сложение двух эффектов и увеличение чувствительности магнитотранзистора. Поскольку ток третьего коллектора имеет большую величину, постольку добавление второго эффекта существенно увеличивает чувствительность магнитотранзистора. Для уменьшения влияния поверхностной рекомбинации на потоки инжектированных из эмиттера носителей заряда граница кремний-диоксид кремния имеет малую скорость поверхностной рекомбинации. Для обеспечения высокой чувствительности к воздействию магнитного поля на ток, протекающий в тянущем электрическом поле pn-перехода база-карман на обе области перехода подается одинаковый потенциал, за счет того, что контакты к базе и карману соединяются металлизацией. Соотношение размеров между областями эмиттера, коллекторов и перехода база-карман определяет чувствительность трехколлекторного биполярного магнитотранзистора к магнитному полю направленному параллельно поверхности кристалла. Изменение величины токов коллекторов в противоположном направлении относительно друг друга повышает относительную чувствительность по току.
Изобретение трехколлекторный биполярный магнитотранзистор позволяет повысить чувствительность полупроводникового магнитного преобразователя к составляющей вектора магнитной индукции, направленной параллельно поверхности кристалла. Прибор работает без тянущего поля в базе и без паразитного тока в базе. Поэтому возрастает относительная чувствительность прибора, определяемая по отношению изменения тока коллекторов к общему току, проходящему через прибор.
На фиг.1 представлено поперечное сечение структуры трехколлекторного биполярного магнитотранзистора, где:
1 - монокристаллическая кремниевая подложка первого типа проводимости;
2 - диффузионный карман второго типа проводимости;
3 - база первого типа проводимости;
4 - первый измерительный коллектор второго типа проводимости;
5 - эмиттер второго типа проводимости;
6 - второй измерительный коллектор второго типа проводимости;
7 - обратная сторона кремниевой подложки;
8 - главная сторона кремниевой подложки;
9 - первый омический контакт к кремниевой подложке;
10 - первый омический контакт к карману;
11 - первый омический контакт к базе;
12 - второй омический контакт к базе;
13 - второй омический контакт к карману;
14 - второй омический контакт к кремниевой подложке;
15 - изолирующий диоксид кремния;
16 - металлизация.
Топология трехколлекторного биполярного магнитотранзистора представлена на фиг.2, где обозначение элементов одинаковое с фиг.1.
Схема изменения в магнитном поле линий тока инжектированных из эмиттера носителей заряда трехколлекторного биполярного магнитотранзистора представлена на фиг.3, где:
В - вектор магнитной индукции направленный параллельно поверхности подложки;
K1
J(0) - поток носителей заряда первого коллектора без магнитного поля;
K1
J(B) - поток носителей заряда первого коллектора в магнитном поле;
K
+dJ(B) - дополнительный поток носителей заряда первого коллектора в магнитном поле, переходящий от потока носителей заряда в третий коллектор;
K
- dJ(B) - дополнительный поток носителей заряда первого коллектора в магнитном поле, переходящий от потока носителей заряда в третий коллектор;
K2
J(0) - поток носителей заряда второго коллектора без магнитного поля;
K2
J(B) - дополнительное уменьшение потока носителей заряда второго коллектора в магнитном поле, уходящего в поток носителей заряда в третий коллектор.
K1.2
I(0) - ток инжектированных из эмиттера носителей заряда, протекающий к второй половине второго измерительного коллектора без магнитного поля;
K1.2
I(B) - ток инжектированных из эмиттера носителей заряда, протекающий к второй половине второго измерительного коллектора в магнитном поле.
Схема включения напряжения на электроды прибора трехколлекторного биполярного магнитотранзистора 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;
Э
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.
I
На фиг.5 дана для конкретного прибора трехколлекторного биполярного магнитотранзистора зависимость относительной дифференциальной магнитной чувствительности по току SDA, 1/Тл от тока смещения базы и кармана при величине магнитной индукции В=5 мТл.
K1
K2
K
1
K2
K1
K2
K
K
K1
K
K2
K1
K2
Схема изменения в магнитном поле с индукцией В линий тока инжектированных носителей заряда из эмиттера 5 трехколлекторного биполярного магнитотранзистора представлена на фиг.3. Без магнитного поля ток инжектированных носителей заряда I(0)+I(0)+I(0) проходит к коллекторам 4 и 6 в базе вдоль pn-перехода между базой 3 и карманом 2 мимо контактов к базе 11, 12 и через pn-переход между базой 3 и карманом 2 до контактов к карману 13, 10 в кармане 2 вдоль pn-перехода между базой 3 и карманом 2. В магнитном поле с вектором магнитной индукции, направленным перпендикулярно поверхности подложки и параллельно длинной стороне полосковых электродов, протекающий к коллекторам ток инжектированных носителей заряда IK(B), I(B) под действием силы Лоренца отклоняется, соответственно, к поверхности I(B) или удаляется от поверхности I(B), что приводит к изменению длины линий тока. Протекающий к контактам к карману 13, 10 ток инжектированных носителей заряда I(B) под действием силы Лоренца отклоняется, соответственно, к поверхности dI(B) и добавляется к току коллектора I(B) или удаляется от поверхности -dI(B) и уменьшает ток I(B). В соответствие с действием двух эффектов, ток одного коллектора I(B) возрастает, а другого I(B) уменьшается, что определяет дифференциальную относительную магниточувствительность по току трехколлекторного биполярного магнитотранзистора
БК
ЭП
БК
K1
K2
В составе датчиков магнитного поля схема включения напряжения трехколлекторного биполярного магнитотранзистора 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 pn-перехода эмиттера в базу. В базе инжектированные носители заряда доходят до измерительных коллекторов и ими экстрагируются.
БК
На фиг.5 дана для конкретного прибора трехколлекторного биполярного магнитотранзистора зависимость относительной по току магнитной чувствительности
от величины тока смещения базы и кармана I при магнитной индукции 5 мТл, направленной параллельно поверхности кристалла. В зависимости от тока смещения относительная магнитная чувствительность по току увеличивается при увеличении тока и достигает величины
K1
K2
Функционирование трехколлекторного биполярного магнитотранзистора 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 выполнены по технологии КМОП интегральных схем следующим образом. Для определенности считаем, что монокристаллическая подложка 1 - кремниевая и имеет p-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования области диффузионного кармана 2 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 3, подлегирования омических контактов к базе 11, 12, к подложке 9, 14. Изготовление структуры продолжается формированием областей n-типа проводимости контактов к карману 10, 13, эмиттера 5 и измерительных коллекторов 4, 6. Для обеспечения соединения планарного биполярного магнитотранзистора с внешней электрической схемой интегрального датчика на поверхности кристалла выращивается диэлектрический слой диоксида кремния (15), формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка (16). 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 используются 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 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 обладает новым качеством - повышенной чувствительностью к магнитной индукции направленной параллельно к поверхности кристалла без задания тянущего поля в базе и с исключением вклада в чувствительность составляющих вектора магнитной индукции направленных перпендикулярно 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.С. / 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. Козлов А.В., Тихонов Р.Д. / Полупроводниковый магнитный преобразователь // Патент РФ 2284612 - прототип.