ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТОКОМАГНИТНЫЙ ДАТЧИК НА ОСНОВЕ БИПОЛЯРНОГО МАГНИТОТРАНЗИСТОРА
INTEGRAL ELECTROMAGNETIC TRANSDUCER BUILT AROUND BIPOLAR MAGNETIC TRANSISTOR

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля. Полупроводниковые датчики величины и направления магнитного поля находят все более широкое распространение в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.
Среди многих видов полупроводниковых магниточувствительных элементов резисторов, диодов, датчиков Холла, биполярных и МОП-транзисторов биполярный двухколлекторный магниточувствительный транзистор вызывает особый интерес в связи с возможностью получения высокой чувствительности и избирательности к направлению магнитного поля.
В статье /1/ и в патенте /2/ описан датчик, чувствительный к трехмерному магнитному полю, реализованный на магнитотранзисторах по КМОП-технологии. Вокруг эмиттера в общем кармане расположены четыре пары коллекторных областей и четыре базовых контакта. Полезный сигнал в виде тока коллекторов получается при подаче напряжения смещения подложки относительно кармана.
В патенте /3/ предлагается датчик, чувствительный к трехмерному магнитному полю. Прибор состоит из датчиков Холла, определяющих три компоненты магнитного поля Вх, By, Bz и электронной схемы. Прямоугольные кристаллы датчиков Холла имеют активную область одного типа проводимости. По углам этой области размещены четыре токовых электрода с внешним соединением пар диагонально расположенных электродов. По сторонам прямоугольника имеются четыре потенциальных электрода. Потенциальные электроды соединены с входами компараторов электронной схемы. Суммируя или вычитая потенциалы, электронная схема выдает три сигнала, пропорциональные трем компонентам магнитного поля.
На основе датчиков, чувствительных к магнитному полю, создаются компасы, позволяющие определить направление магнитного поля Земли и получить данные об ориентации и направлении движения движущихся объектов.
В патенте /4/ предлагается компас с люминесцентной индикацией. В состав прибора входят источник питания, драйвер для люминесцентной панели, люминесцентная панель, панель управления драйвером, схема делителя напряжения и модуль электронного компаса. Модуль электронного компаса выдает сигнал об ориентации, который передается на драйвер и с него на люминесцентную панель. При установке на автомобиль компаса с люминесцентной индикацией получается информация об ориентации и направлении движения автомобиля.
В патенте /5/ предлагается компас с индикатором направления. Используя спутниковую систему навигации, предлагается портативный компас на основе приемника, декодера и малогабаритного дисплея с указанием сторон света.
В патенте /6/ 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.
В патенте /7/ предлагается полупроводниковый магнитный преобразователь в виде латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, содержащего монокристаллическую подложку первого типа проводимости, глубокий карман на поверхности подложки, имеющий малую концентрацию примеси и второй тип проводимости, области контактов к базе, расположенные в кармане, сильнолегированные области первого типа проводимости с глубиной меньше глубины кармана, расположенные внутри кармана эмиттер, первый и второй рабочие коллекторы и расположенные вне кармана первый и второй контакты к подложке, отличающийся тем, что 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 присоединены к одному и тому же источнику напряжения.
Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является патент на изобретение /8/, в котором предлагается полупроводниковый интегральный токомагнитный датчик со светодиодным индикатором, состоящий из латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора на монокристаллической подложке первого типа проводимости, с базовой областью на поверхности подложки, имеющей малую концентрацию примеси и второй тип проводимости, расположенные в базовой области сильнолегированные области эмиттера, первого и второго рабочих коллекторов первого типа проводимости с глубиной меньше глубины базовой области, области контактов к базе, расположенные ближе к эмиттеру, чем коллекторы, и имеющие глубину не менее глубины базовой области, а длину не менее ширины базовой области, расположенные вне базовой области первый и второй контакты, соединенные с контактами к базовой области и подключенные к одному и тому же источнику напряжения, отличающийся тем, что базовая область отделена от подложки диффузионным карманом, в подложке и кармане формируются сильнолегированные области контактов, контакты к подложке и эмиттер соединены электрически с подачей одинакового потенциала, нагрузочные и усилительные МОП-транзисторы для передачи сигнала с латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора на светодиодный индикатор расположены в отдельном кармане.
Основной недостаток токомагнитного датчика состоит в том, что разница напряжения на коллекторах транзистора при отсутствии магнитного поля - начальный разбаланс - входит в величину полезного сигнала, которым является разница напряжения между коллекторами при работе токомагнитного датчика в магнитном поле. Магнитотранзисторы имеют относительно большой и не повторяющийся от образца к образцу начальный разбаланс токов коллекторов, что снижает точность измерения и затрудняет их применение в составе интегральных схем. Начальный разбаланс непосредственно связан с режимом работы транзистора - с величиной токов, протекающих в базе, эмиттере и коллекторах.
Цель изобретения - уменьшение начального разбаланса - разницы напряжения на коллекторах двухколлекторного латерального магнитотранзистора при отсутствии магнитного поля - и уменьшение погрешности измерений, возникающей из-за невоспроизводимого начального разбаланса напряжения коллекторов биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора.
Суть изобретения состоит в комплексном решении проблемы как за счет изменения структуры, так и за счет изменения электрической схемы включения биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора.
Изменение структуры токомагнитного датчика на основе латерального биполярного магниточувствительного транзистора направлено на уменьшение плотности тока в электродах. Достигается это увеличением отношения ширины коллекторов и эмиттеров W, т.е. размеров электродов в направлении, перпендикулярном расстоянию между ними к расстоянию между эмиттером и коллекторами, т.е. длины базы L. Уменьшение плотности тока снижает неоднородность распределения тока в эмиттере, базе и коллекторах и разбаланс токов коллекторов, возникающий из-за неоднородности распределения тока.
Схемотехническое решение состоит во введении режима работы с заданием тока смещения кармана и электрического соединения двух контактов к базе с двумя коллекторами с помощью сопротивлений. Соединение контактов базы и коллекторов исключает переход биполярного магнитотранзистора в режим насыщения коллекторов и создает отрицательную обратную связь между напряжениями на базе и коллекторе. Отрицательная обратная связь стабилизирует рабочую точку и уменьшает разбаланс напряжения коллекторов. Изготовление сопротивлений в интегральной схеме токомагнитного датчика позволяет свести до минимума разницу между сопротивлениями в нагрузке коллекторов и в цепи коллектор-база и уменьшить разбаланс напряжений на коллекторах, связанный с различием коллекторных сопротивлений.
Общим положительным эффектом является снижение начального разбаланса напряжения на коллекторах в такой структуре и при таком режиме работы интегрального токомагнитного датчика на основе биполярного магнитотранзистора. Магнитное поле оказывает влияние на потоки носителей заряда обоих знаков так, что изменяются токи коллекторов и разность напряжения между коллекторами. Уменьшение начального разбаланса напряжения между коллекторами позволяет увеличить полезный сигнал по отношению к начальному и повысить чувствительность датчика.
На фиг.1 представлено поперечное сечение интегрального токомагнитного датчика. Топология планарной структуры прибора представлена на фиг.2. Первая электрическая схема включения напряжения на интегральный токомагнитный датчик дана на фиг.3. Вторая электрическая схема включения дана на фиг.4. Третья электрическая схема включения дана на фиг.5. На фиг.6 дана электрическая схема при работе в режиме переключения. На фиг.7 показаны зависимости токов и напряжений кармана, базы, измерительных коллекторов в интегральном токомагнитном датчике от напряжения питания. На фиг.8 даны зависимости начального разбаланса напряжения на коллекторах от напряжения питания для трех схем включения. На фиг.9 даны зависимости относительной абсолютной магниточувствительности по току от напряжения питания для трех схем включения.
Интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора состоит из монокристаллической подложки кремния первого типа проводимости (1); изолирующего окисла для формирования резистора (2), глубокого кармана, расположенного на поверхности подложки и имеющего малую концентрацию примеси, создающей второй тип проводимости (3); области базы (4) первого типа проводимости, расположенной в кармане (3); контактов (5), (11) к карману (3) в виде областей с сильным легированием примесью, создающей второй тип проводимости; областей контактов к базе (7) и (9), располагающихся в базе (4), имеющих ширину и глубину не менее глубины и ширины базы и имеющих сильное легирование первого типа проводимости; сильнолегированных областей второго типа проводимости с глубиной меньше глубины базы и расположенных внутри базы первого (6) и второго (10) измерительных коллекторов, эмиттера (8), области контакта к подложке (12), имеющей сильное легирование первого типа проводимости; контактов (13), (15) к сопротивлению (14) (фиг.1).
На фиг.2 представлена топология планарной структуры интегрального токомагнитного датчика, где прибор состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1); изолирующего окисла для формирования резистора (2), глубокого кармана (3); области базы (4), расположенной в кармане (3); контактов (5), (11) к карману (3); областей контактов к базе (7) и (9), располагающихся в базе (4); областей эмиттера (8), первого (6) и второго (10) измерительных коллекторов, расположенных внутри области базы (4); области контакта к подложке (12); контактов (13), (15) к резистору (14). Особенностью структуры интегрального токомагнитного датчика является отношение расстояния между эмиттером и коллекторами, т.е. ширины коллекторов и эмиттеров W и длины базы L, т.е. размеров электродов в направлении, перпендикулярном расстоянию между ними. Снижение плотности тока эмиттера и коллекторов, необходимое для получения малой разности начальных токов коллекторов, достигается при отношении W/L более 3.
K1
K2
K
K
K1
K2
Б1
Б2
K1
K2
На фиг.3 дана электрическая схема включения напряжения интегрального токомагнитного датчика. Напряжение питания Епит подается на резисторы R, R, R. Через резистор R задается ток кармана К, который является третьим коллектором, наряду с двумя измерительными коллекторами K1, K2, ток в которые задается через сопротивления R, R. Между коллектором K1 и контактом к базе Б1, расположенным с той же стороны от эмиттера как коллектор K1, включается сопротивление R, а между коллектором K2 и контактом к базе Б2, расположенным с той же стороны от эмиттера как коллектор К2, включается сопротивление R. Напряжение выходного сигнала измеряется как разность потенциалов измерительных коллекторов U-U.
K1
K2
K
K
K1
K2
Б1
Б2
K1
K2
На фиг.4 дана вторая электрическая схема включения напряжения интегрального токомагнитного датчика. Напряжение питания Епит подается на резисторы R, R, R. Через резистор R задается ток кармана К, который является третьим коллектором, наряду с двумя измерительными коллекторами К1, К2, ток в которые задается через сопротивления R, R. Между коллектором К1 и контактом к базе Б2, расположенным с другой стороны от эмиттера как коллектор К1, включается сопротивление R, а между коллектором К2 и контактом к базе Б1, расположенным с другой стороны от эмиттера как коллектор К2, включается сопротивление R. Напряжение выходного сигнала измеряется как разность потенциалов измерительных коллекторов U-U.
K1
K2
K
K
K1
K2
Б1
Б2
K1
K2
На фиг.5 дана третья электрическая схема включения напряжения интегрального токомагнитного датчика. Напряжение питания Епит подается на резисторы R, R, R. Через резистор R задается ток кармана К, который является третьим коллектором, наряду с двумя измерительными коллекторами К1, К2, ток в которые задается через сопротивления R, R. Между коллектором К1 и контактом к базе Б1, расположенным с той же стороны от эмиттера как коллектор К1, включается сопротивление R, а между коллектором К2 и контактом к базе Б2, расположенным с той же стороны от эмиттера как коллектор К2, включается сопротивление R. Контакты к базе замкнуты. Напряжение выходного сигнала измеряется как разность потенциалов измерительных коллекторов U-U.
K1
K
K
K1
УПР
K1
УПР
K1
Б1
УПР
K1
K1
K2
K1
На фиг.6 дана электрическая схема включения напряжения интегрального токомагнитного датчика при работе в режиме переключения. Напряжение питания Епит подается на резисторы R, R. Через резистор R задается ток кармана К, который является третьим коллектором. Измерительные коллекторы К1, К2 подключаются поочередно к сопротивлению R, например, через МОП-транзисторы при подаче напряжения управления U. В то время когда коллектор К1 подключен к сопротивлению R, коллектор К2 присоединяется к потенциалу земли, например, с помощью МОП-транзистора при подаче напряжения управления U. При этом коллектор К2 выполняет функцию эмиттера. Между сопротивлением R и контактами к базе Б1, Б2 включается сопротивление R. При подаче обратной полярности напряжения управления U роль эмиттера выполняет коллектор К1, а коллектор К2 присоединяется к сопротивлению R. Напряжение выходного сигнала измеряется как разность потенциалов U-U, возникающая при переключении измерительных коллекторов на сопротивлении R и на потенциал земли.
K
K1
K2
K1
K2
Б1
Б2
Б1
Б2
На фиг.7 даны для конкретного прибора зависимости напряжения U и тока 1к на кармане, на измерительных коллекторах U, U, I, I и на контактах к базе U, U, I, U, в зависимости от напряжения питания Епит.
K1
K2
На фиг.8 для конкретного прибора даны зависимости начального разбаланса напряжения на измерительных коллекторах U-U от напряжения питания Епит для трех схем включения. 1 зависимость дана для схемы на фиг.5, 2 - для схемы на фиг.3, 3 - для схемы на фиг.4. Наибольший разбаланс дает схема с перекрестным соединением коллекторов и контактов к базе, в которой действует положительная обратная связь. Наименьший разбаланс дает схема с соединением соседних коллекторов и контактов к базе, в которой действует отрицательная обратная связь.
На фиг.9 для конкретного прибора даны зависимости дифференциальной абсолютной чувствительности от напряжения питания Епит для трех схем включения. Зависимость 1 дана для схемы на фиг.5, зависимость 2 - для схемы на фиг.3, зависимость 3 - для схемы на фиг.4. Формула для расчета абсолютной дифференциальной чувствительности следующая:
AD
K1
K2
K1
K2
S=[(U-U)(при B=10 мТл)]-[(U-U)(при B=0)]/B.
Наибольшей чувствительностью обладает схема с перекрестным соединением коллекторов и контактов к базе, в которой действует положительная обратная связь. Практически одинаковую чувствительность имеют схемы с соединением контактов к базе с соседними коллекторами и при замыкании контактов к базе, в которых действует отрицательная обратная связь.
Особенностью планарного расположения эмиттера и коллекторов является неравномерное распределение тока по их площади. Максимальная плотность тока протекает на ближайших друг к другу краях электродов. Неравномерность величины тока приводит к разбалансу токов двух коллекторов. Увеличение ширины электродов эмиттера и коллекторов W относительно величины зазора между ними L при одинаковом токе дает меньшую плотность тока через электроды. Этим достигается снижение начального разбаланса напряжений коллекторов.
Протекание тока в базе между эмиттером и коллекторами сопровождается рекомбинацией инжектированых носителей заряда. Если не принимать мер по выравниванию скорости рекомбинации в левой и правой частях магнитотранзистора, то возникает асимметрия прибора и появляется разная величина тока коллекторов. Работа прибора в режиме переключения по схеме, показанной на фиг.6, использует только один промежуток между двумя электродами. Это позволяет снизить начальный разбаланс, связанный с несимметрией структуры. Кроме того, в этом случае используется только одно коллекторное и одно базовое сопротивления, что позволяет исключить разбаланс, связанный с неравенством сопротивлений в двух плечах магнитотранзистора.
Схемы включения, представленные на фиг.3, 4, 5, 6, исключают возможность перехода транзистора в режим насыщения, где пропадает чувствительность. Схема на фиг.3 дает отрицательную обратную связь между напряжением на коллекторе и напряжением на ближайшем контакте к базе. Это стабилизирует рабочую точку и уменьшает начальный разбаланс между напряжениями на коллекторах.
Для определенности считаем, что при изготовлении интегрального токомагнитного датчика на основе биполярного магнитотранзистора используется кремниевая подложка с p-типом проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования областей карманов n-типа проводимости с помощью фотолитографии, ионного легирования и термической разгонки. Далее с применением тех же технологических процессов формируются области p-типа проводимости базы, изолирующий окисел, поликремниевые затворы и резисторы, сильнолегированные контакт к базе и подложке, истоки, стоки МОП-транзисторов, сильнолегированные областей n-типа проводимости эмиттера, измерительных коллекторов и контактов к карману. Для обеспечения электрического соединения на поверхность прибора наносится диэлектрический слой окисла кремния, формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка с контактными площадками.
На выводы прибора подается напряжение питания. Измерение величины магнитного поля определяется по величине разницы напряжений на контактных площадках измерительных коллекторов при воздействии магнитного поля.
Интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора позволяет получить микроминиатюрное устройство для определения величины магнитного поля. Параметры прибора определяются объемными свойствами полупроводника и мало зависят от состояния поверхности прибора, что определяет его высокую стабильность и воспроизводимость при изготовлении. Снижение начального разбаланса напряжения на коллекторах позволяет применять интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора для измерения слабых магнитных полей менее 10 мТл.
Источники информации
1. Ristic Lj., Doan M.T., Paranjape M. / 3-D magnetic field sensor realized as a lateral magnetotransistor in CMOS Technology // Sensor and Actuators, A21-A23, 1990.
2. Патент США 5323050.
3. Патент США 6278271.
4. Патент США 6742270.
5. Патент США 6292137.
6. Патент РФ 2239916.
7. Патент РФ 2284612.
8. Патент РФ 2300824 - прототип.