Магнитотранзистор с компенсацией коллекторного тока

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. Магнитотранзистор с компенсацией коллекторного тока содержит кремниевую монокристаллическую подложку, диффузионный карман, область базы в кармане, области эмиттера, первого и второго измерительных коллекторов в базе, области контактов к базе, к диффузионному карману, к подложке. Магнитотранзистор отличается геометрией областей сильнолегированных контактов к базе и напряжением смещения на этих контактах, при котором на части областей коллекторов проходит втекающий ток от эмиттера, а на другой части вытекающий ток в сторону контакта к базе. Эти токи компенсируют ток коллекторов в исходном состоянии, что повышает отношение тока коллекторов в магнитном поле к току коллекторов без магнитного поля и таким образом повышает чувствительность по току коллекторов. Магнитотранзистор с компенсацией коллекторного тока в составе интегральных магнитных датчиков повышает чувствительность к магнитному полю, направленному перпендикулярно поверхности кристалла. 6 ил.

 

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.

Перспективными элементами для создания датчиков являются двухколлекторные биполярные магниточувствительные транзисторы (БМТ), которые отличаются простотой изготовления, высокой чувствительностью и избирательностью к направлению магнитного поля /1/.

Известен планарный магнитотранзисторный преобразователь, в котором области эмиттера и коллекторов планарного магнитотранзисторного преобразователя располагаются на большом расстоянии друг от друга вдоль вертикальной части pn-перехода база-карман и на небольшом расстоянии от границы области объемного заряда pn-перехода база-карман /2/. Контакты к карману относительно перехода база-карман располагаются напротив коллекторов, контакты к базе располагаются между эмиттером и коллекторами и ограничивают протекание тока инжектированных носителей заряда напрямую между эмиттером и коллекторами. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности тока инжектированных из эмиттера носителей заряда к действию силы Лоренца в магнитном поле, направленном перпендикулярно поверхности кристалла.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является патент на изобретение, в котором планарный биполярный магнитотранзистор отличается геометрией областей эмиттера и коллекторов /3/. Расстояние между областями эмиттера и коллекторов выбирается переменной величины, ширина коллекторов увеличивается при увеличении расстояния от эмиттера до коллектора, коллекторы расположены попарно с каждой стороны эмиттера и имеют разные углы наклона между сторонами эмиттера и коллекторов. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности к магнитному полю, направленному перпендикулярно поверхности кристалла и исключение чувствительности к магнитному полю, действующему параллельно поверхности кристалла.

Задачей изобретения является увеличение чувствительности по току планарного биполярного магнитотранзистора.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в магнитотранзисторе с компенсацией коллекторного тока предусмотрены следующие отличия от прототипа. Области эмиттера и коллекторов располагаются в области базы на расстоянии друг от друга. Первый сильнолегированный контакт к базе располагается между эмиттером и коллекторами. Второй сильнолегированный контакт к базе располагается за коллекторами по отношению к эмиттеру. Эмиттерный pn-переход смещается в прямом направлении напряжением на первом сильнолегированном контакте к базе. Второй сильнолегированный контакт к базе смещается в прямом направлении при напряжении смещения, большем или равным напряжению смещения на первом сильнолегированном контакте к базе. Напряжение на втором сильнолегированном контакте к базе больше напряжения на коллекторах, так что возникает ток инжекции из коллекторов, который компенсирует ток инжекции из эмиттера в коллекторы. При этом уменьшается ток через коллекторные контакты без магнитного поля. Отношение разности тока коллекторов в магнитном поле к сумме токов коллекторов без магнитного поля увеличивается и таким образом повышается чувствительность по току коллекторов.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. В магнитотранзисторе с компенсацией коллекторного тока потоки носителей заряда инжектированных из эмиттера распределяются между двумя коллекторами симметрично без магнитного поля. Направленная перпендикулярно поверхности подложки магнитная индукция изменяет асимметрично расположение потоков за счет воздействия силы Лоренца. С каждой стороны от эмиттера расположены по два коллектора. Смещение линий тока в магнитном поле переводит их в область базы с увеличенной для одного коллектора эффективной длиной базы, а для другого коллектора эффективная длина базы уменьшается. Это приводит к уменьшению тока одного коллектора и увеличению тока другого коллектора. Происходит преобразование магнитного поля в изменение тока коллекторов. Потоки инжектированных носителей заряда из эмиттера в направлении коллекторов создают втекающий в области коллекторов ток. При смещении базы через второй сильнолегированный контакт, расположенный за коллектором по отношению к эмиттеру ток вытекает из области коллекторов. Вытекающий ток компенсирует втекающий ток. Ток через контакты к коллекторам уменьшается. Компенсация токов уменьшает ток через контакт к коллектору и повышает абсолютную чувствительность по току, которая определяется отношением изменения тока коллекторов в магнитном поле к величине тока, протекающего через коллекторный контакт без магнитного поля.

Изобретение позволяет повысить чувствительность по току магнитотранзистора с компенсацией коллекторного тока к вектору магнитной индукции, направленному перпендикулярно поверхности кристалла.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение структуры магнитотранзистора с компенсацией коллекторного тока, где 1 - монокристаллическая подложка первого типа проводимости с 2 - главной поверхностью и 3 - обратной стороной; 4 - глубокий диффузионный карман второго типа проводимости, служащий p-n-переходной изоляцией; 5 - диффузионный базовый слой первого типа проводимости, сформированный в кармане 4; 6 - второй сильно легированный контакт к базовому слою 5; 7 - измерительный коллектор второго типа проводимости, расположенный в базовом слое 5; 8 - первый сильнолегированный контакт к базовому слою 5; 9 - эмиттер второго типа проводимости, расположенный в базовом слое 5; 11 - и 14 - омические контакты к карману 4; 10 - и 15 - омические контакты к подложке 1; 12 - изолирующий окисел; 13 - металлизация.

На фиг. 2 представлена схема изменения в магнитном поле линий тока инжектированных носителей заряда в магнитотранзисторе с компенсацией коллекторного тока, где Э - область эмиттера, К1 - и К2 - области коллекторов, Б1 и Б2 - области сильнолегированных контактов к базе. Je(0) обозначает линии тока потоков инжектированных носителей без магнитного поля. Линии тока потоков инжектированных носителей в магнитном поле с индукцией B обозначены Je(B). J_{K1, K2-Б2}(0) обозначает вытекающий поток носителей заряда из коллекторов К1, К2 в сторону второго сильнолегированного контакта к базе Б2, который компенсирует втекающий поток носителей заряда из эмиттера Э в коллекторы К1, К2 и в результате уменьшает ток через контакты к коллекторам. Напряжение обозначено на эмиттере U_Э=0, на контактах к коллекторам U_K1, U_K2, на сильнолегированных областях контактов к базе U_Б1, U_Б2.

На фиг. 3 представлены для магнитотранзистора с компенсацией коллекторного тока зависимости тока коллекторов I_К1, I_K2, эмиттера I_Э, сильно легированных контактов к базе I_Б1, I_Б2 и относительной чувствительности по току

На фиг. 4 показана схема включения напряжения на электроды магнитотранзистора с компенсацией коллекторного тока в составе датчиков, где Б1 и Б2 - выводы сильнолегированных контактов к базе, КК - вывод контактов к карману, K1, К2 - выводы измерительных коллекторов, Э - вывод контакта к эмиттеру, Π - вывод контакта к подложке.

На фиг. 5 представлена топология магнитотранзистора с компенсацией коллекторного тока для конкретного прибора, где Э - вывод эмиттера, Б1 и Б2 - сильнолегированные контакты к базе, КК - вывод от контакта к карману, К1 - вывод первого коллектора, К2 - вывод второго коллектора.

На фиг. 6 дана зависимость токов измерительных коллекторов относительной по току магнитной чувствительности $$S_R^I$$ от величины магнитной индукции B для конкретного прибора.

Функционирование магнитотранзистора с компенсацией коллекторного тока происходит следующим образом. На фиг. 2 показано, каким образом Je(0) линии тока потоков инжектированных носителей изменяют под действием силы Лоренца в магнитном поле с индукцией B конфигурацию линий тока потоков инжектированных носителей Je(B) по отношению к коллекторам К1 и К2. Коллекторы К1 и К2 наклонены под разным углом к эмиттеру Э. Линии тока, текущего к коллектору К1, удлиняются, а крайняя к коллектору К2 линия отклоняется к коллектору К2. Линии тока, текущего к коллектору К2 укорачиваются и к ним добавляются линии тока от коллектора К1. Изменение эффективной длины линий тока изменяет сопротивление в соответствии с эффектом Гаусса и изменяет коэффициент переноса носителей заряда через базу с учетом рекомбинации на эффективной длине базы. Гальваномагнитный эффект отклонения носителей заряда в магнитном поле благодаря действию силы Лоренца определяет перераспределение линий тока между коллекторами. В результате действия магнитного поля по указанным эффектам ток коллектора К1 уменьшается, а ток коллектора К2 увеличивается, что определяет чувствительность токов коллекторов к магнитному полю. При U_K1, U_K2 меньше U_Б1, U_Б2 вытекающий поток носителей заряда из коллекторов J_{K1, K2-Б2}(0) в сторону второго сильнолегированного контакта к базе компенсирует втекающий поток носителей заряда из эмиттера Э в коллекторы К1, К2 и в результате уменьшает ток через контакты к коллекторам. В магнитном поле на носители, инжектируемые из эмиттера, действует сила Лоренца, которая отклоняет поток носителей в 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 перпендикулярно поверхности кристалла.

Зависимости на фиг.3 получены при напряжении на коллекторах U_K1=U_K2=0,8 B, U_Б1=0,6 В. При напряжении на сильно легированном контакте к базе Б2 более напряжения на коллекторах U_Б2>U_K1, U_K2 часть pn-перехода включается в прямом направлении и инжектирует носители заряда, создавая вытекающий поток носителей из коллекторов. Другая часть pn-перехода имеет втекающий в коллекторы поток носителей. Через контактные окна к коллекторам проходит разность втекающего и вытекающего потоков носителей заряда. При некотором напряжении смещения на сильно легированном контакте к базе Б2 происходит компенсация потоков и уменьшение тока коллекторов в магнитотранзисторе без магнитного поля. Поток носителей из эмиттера в коллектора продолжает существовать. В магнитном поле происходит его модуляция. Изменение токов коллекторов в магнитном поле d[I_K1(B)-I_K2(B)] по отношению к токам без магнитного поля [I_K1(0)+I_K2(0)] при данной величине магнитной индукции B определяет чувствительность по току. Поскольку уменьшаются токи коллекторов без магнитного поля, постольку происходит рост чувствительности магнитотранзистора с компенсацией тока коллекторов.

Перечисленные на фиг. 1 конструктивные элементы магнитотранзистора с компенсацией коллекторного тока выполнены по технологии КМОП интегральных схем следующим образом. Для определенности считаем, что подложка 1 кремниевая и имеет p-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования области 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 базового слоя 5, сильнолегированые контакты к базе 6, 8, к подложке 10, 15. Изготовление структуры продолжается формированием областей n-типа проводимости контактов к карману 11, 14, эмиттера 7 и измерительных коллекторов 9. Для обеспечения соединения магнитотранзистора с компенсацией коллекторного тока с внешней электрической схемой интегрального датчика на поверхность кристалла наносится диэлектрический слой окисла кремния 12, формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка 13.

Описанным выше магнитотранзистором с компенсацией коллекторного тока пользуются для создания датчиков магнитного поля различного назначения следующим образом. Как показано на фиг. 4 на Б1 подается напряжение смещения базы относительно эмиттера и подложки U_Б1Э, на Б2 подается напряжение смещения базы относительно эмиттера и подложки U_Б2Э. На К1 и К2 подключаются напряжения U_K1, U_K2 от источника питания через сопротивление нагрузки; на эмиттер Э и подложку Π задается потенциал U_Э. Схема включения может иметь общий вывод от Б1 и Б2 или только от Б2.

На выводы прибора подается напряжение: на контакты к базе 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. 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 потоки носителей тока электронов, текущие в одном направлении, испытывают отклонение в базе в одну и ту же сторону напротив двух коллекторов. Линии тока напротив одного коллектора укорачиваются, а напротив другого удлиняются. Возникает асимметрия линий тока, соответственно ток одного рабочего коллектора уменьшается, а ток другого коллектора увеличивается. На одинаковых нагрузках возникает различие падения напряжения и между коллекторами возникает разность напряжений, которая зависит от величины магнитного поля.

Особенностью топологии, представленной на фиг. 5, является расположение восьми коллекторных областей по сторонам восьмигранного эмиттера. Металлизация соединяет четыре правых относительно стороны эмиттера и четыре левых коллекторов на два выхода. Первая сильнолегированная область базы соединяется со второй сильнолегированной областью базы перемычками. Контактные окна к подложке, карману и к базе имеют вид уголков напротив средней линии между парами коллекторов. Данная топология магнитотранзистора позволяет реализовать прибор как в отдельности, так и в составе биполярных и КМОП микросхем.

Измерение относительной магнитной чувствительности по току образцов магнитотранзистора с компенсацией коллекторного тока проводилось в постоянном магнитном поле с магнитной индукцией B=0,1-100000 мкТл, направленной перпендикулярно поверхности кристалла. Величина относительной магнитной чувствительности по току $$S_R^I$$ изменяется вблизи значения 6,2 Тл^-1, как показано на фиг. 6. Такие значения позволяют утверждать, что чувствительность высокая по сравнению с ранее известными структурами магнитотранзисторов и измеряется в широком диапазоне магнитных полей.

Магнитотранзистор с компенсацией коллекторного тока обладает новым качеством - высокой чувствительностью к магнитной индукции, направленной перпендикулярно к 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. Балтес Г.П., Попович P.C. / Интегральные полупроводниковые датчики магнитного поля // ТИИЭР, т. 74. 1986. №8. С. 60-90.

2. Патент РФ №2422943.

3. Патент РФ №2439748 - прототип.

Магнитотранзистор с компенсацией коллекторного тока, 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 и расположенные внутри базовой области, базовая область отделена от подложки диффузионным карманом, области сильнолегированных контактов к базе, к карману, к подложке, отличающийся тем, что области эмиттера и коллекторов располагаются в области базы на расстоянии друг от друга, первый сильнолегированный контакт к базе располагается между эмиттером и коллекторами, второй сильнолегированный контакт к базе располагается за коллекторами по отношению к эмиттеру, pn-переход эмиттер - база смещается напряжением на первым сильнолегированном контакте к базе в прямом направлении, второй сильнолегированный контакт к базе смещается в прямом направлении напряжением смещения, большем или равным напряжению смещения на первом сильнолегированном контакте к базе и большем напряжения на коллекторах, так что вытекающий ток инжекции коллекторов компенсирует втекающий ток инжекции из эмиттера в коллекторы и уменьшает ток коллекторов через контакты к коллекторам без магнитного поля и повышается отношение разности тока коллекторов в магнитном поле к сумме токов коллекторов без магнитного поля и таким образом повышает чувствительность по току коллекторов.