МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 38, № 4, с. 260-272
ПРИБОРЫ МИКРО- ^^^^^^^^^^^^ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.3.049.77.002
ДВУХКОЛЛЕКТОРНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОР: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
© 2009 г. Р. Д. Тихонов
ГУ НПК "Технологический Центр" МИЭТ E-mail: R.Tikhonov@tcen.ru Поступила в редакцию 30 июня 2008 г.
Приведен анализ особенностей определения величины и знака чувствительности магнитотранзистора. Экспериментальные исследования и приборно-технологическое моделирование показали, что определяющим является концентрационно-рекомбинационный механизм изменения под воздействием магнитного поля токов в структуре магнитотранзистора. Понимание механизма работы прибора позволяет повышать чувствительность биполярного магнитотранзистора.
PACS: 85.40.-e
1. ВВЕДЕНИЕ
К достоинствам биполярного магнитотранзистора (БМТ) относятся высокая магниточувствитель-ность, линейность выходного сигнала, высокая рабочая частота, высокое отношение сигнал-шум, избирательность к направлению магнитного поля, что позволяет проводить трехмерное определение вектора магнитного поля, возможность интегральной микроэлектронной реализации, микронные размеры, высокое разрешение. Возникает законный вопрос - почему такой замечательный прибор не находит применения в многомиллионных тиражах маг-нитотчувствительных интегральных схем, где используются магниторезисторы и датчики Холла.
В работе БМТ отмечаются особенности, которые не находят достаточного объяснения.
1) Экспериментально наблюдается относительная чувствительность в широком диапазоне значений от 0.01 Тл-1 до 104 Тл-1, что трудно объяснимо только изменением геометрии образцов.
2) Знак чувствительности изменяется при изменении режима работы планарного двухколлектор-ного магнитотранзистора с тянущим полем в базе.
3) Какова роль механизма модуляции инжекции напряжением Холла в работе БМТ?
Приведенные особенности показывают, что маг-нитотранзистор имеет более сложный по сравнению с магниторезисторами и датчиками Холла механизм преобразования, и в настоящее время не существует точного представления о механизме, определяющем величину и знак чувствительности магнитотранзистора.
С целью выяснения особенностей работы БМТ проведен анализ известных работ, экспериментальное исследование образцов БМТ и их приборно-тех-
нологическое моделирование. Комплексное исследование позволяет правильнее оценить величину и знак чувствительности БМТ [1, 2] и дает возможность на основании представления о механизме работы [3] сконструировать прибор с высокой чувствительностью [4].
2. ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МАГНИТОТРАНЗИСТОРА
Формулы для расчета чувствительности магнитотранзистора выводятся в соответствии с принципом работы биполярного магнитотранзистора, который является прибором с токовым выходом. Магнитное поле В влияет на процессы переноса носителей заряда в разных областях транзисторной структуры. В результате изменяется выходной ток коллектора Ic(B) и выходное напряжение VC(B) при напряжении питания Епит и сопротивлении в цепи коллектора RC.
Vc(B) = Епит - RcIc(B). (1)
Наиболее важным параметром любого сенсора является коэффициент преобразования или чувствительность магнитотранзистора В работе [5] указывается, что полезным сигналом одноколлек-торного варианта БМТ является изменение тока коллектора А/С(В) в зависимости от магнитной индукции В, а для двухколлекторных приборов изменение разности токов коллекторов
^си(В) = 1С1(В) - 1С2(В).
Ic, мкА 195
194
193
192
191
190
189
188
187
186
185
Рис.
12 3 4
1. Зависимость тока коллектора БМТ от магнитной индукции.
5 6
B, мТл
Абсолютная SlA и относительная SR токовая чувствительность находятся как соответствующие производные при В —► 0.
Для одноколлекторных приборов
S'A = dlC(B)/dB [A/Тл], (2)
SR = lC(0)-1 dlC(B)/dB [1/Тл]. (3)
Для двухколлекторных приборов
SlA = dlC122(B)/dB [A/Тл], (4)
SlR = [Ici(0) + lC2.(.0)]-1 dl^^B)/dB [1/Тл]. (5)
В датчике, согласно работы [6], полезным сигналом является изменение выходного напряжения на коллекторе.
Vc = Vc(B) = RcIc(B). (6)
Абсолютная и относительная чувствительности по напряжению могут быть определены как производные выходного сигнала при нулевой индукции.
SA = dVc(B)/dBB = о = Rcdlc(B)/dBB = о [В/Тл], (7)
Svr = Vc1 dVc(B)/dBB = о [1/Тл]. (8)
Использование в формулах (2)-(5), (7)-(8) модуля приводит к тому, что значения чувствительности всегда положительные. Это далеко не всегда соответствует действительности, так как ток коллектора в магнитном поле может увеличиваться или уменьшаться, т.е. производная й?/с(£)/йВ может иметь разный знак. На экспериментальной зависимости, представленной на рис. 1, ток коллектора БМТ уменьшается в магнитном поле. Чувствительность при индукции, близкой к нулю, не соответствует чувствительности при других значениях индукции.
Поэтому применение формул (3)-(6), (8), (10)—(12) не оправдано для определения чувствительности в широком диапазоне изменения индукции.
Ток коллектора протекает по сопротивлению в цепи коллектора Яс и напряжение коллектора изменяется в соответствии с изменением падения напряжения на сопротивлении Яс. Чувствительность по напряжению определяется чувствительностью по току, но с обратным знаком, так как увеличение тока коллектора сопровождается уменьшением
напряжения на коллекторе по формуле (1), а не увеличением, как по формуле (9).
5А = dVС(B)/dB = ^(41С(ВЩВ = - RCSIA, (7')
= ^ dVс(B)/dB = [Епит - RcIc(B)]-1 [- Rc ¿а ]. (8')
Иногда чувствительность по напряжению называют абсолютной чувствительностью. С точки зрения того, что происходит изменение абсолютной величины напряжения, это правильно. Но, учитывая сложную зависимость этой величины от собственной чувствительности прибора по току, от величины нагрузочного сопротивления и напряжения питания, вряд ли относительная чувствительность по напря-
жению является абсолютной величиной. Правильнее употреблять понятия абсолютная и относительная чувствительность по напряжению и току.
Следует отметить, что относительная чувствительность, если ее определять по току в формуле (3) или по напряжению в формуле (8) не совпадают.
V? dVС(B)/dB = Ф = 1С(0)-Ч1С(В)т.
С учетом формулы (1) получается Ешт/^ - 1((В) Ф
Ф ш
Зависимость коллекторного тока !с(В) от магнитной индукции позволяет определить при линейной функции собственную абсолютную чувствительность по току магнитотранзистора по изменению тока коллектора в магнитном поле по сравнению с током без поля.
¿А = А!((В)/В = [^(В) - «0)]/В. (9)
Величина тока коллектора может изменяться на много порядков величины, поэтому для сравнения чувствительности разных приборов и в разном режиме работы определяется относительная чувствительность по формуле
= [^(В) - ШУВ • Ш. (10)
Измерение токовой чувствительности проводится при постоянном напряжении на коллекторе. Измерение чувствительности по напряжению проводится при постоянном напряжении питания, а напряжение на коллекторе изменяется. При малом токе коллектора напряжение на коллекторе близко к напряжению питания, и чувствительность по напряжению определяется чувствительностью по току, умноженной на сопротивление в цепи коллектора. При большом токе коллектора напряжение коллектора может быть меньше напряжения на базе, и транзистор переходит в режим насыщения, когда рп- переход база-коллектор включается в прямом направлении, и чувствительность значительно уменьшается. При промежуточных значениях тока коллектора чувствительность по напряжению зависит от чувствительности по току, от сопротивления нагрузки и напряжения питания по формулам (7'), (8').
В схеме датчиков магнитотранзистор применяется с нагрузочным сопротивлением. Режим по току коллектора и сопротивлению нагрузки опреде-
ляют рабочую точку и чувствительность магнито-транзистора. При высокой чувствительности по напряжению и большой магнитной индукции возникает ограничение размаха изменения напряжения коллектора между напряжениями питания и перехода коллектора в режим насыщения.
В двухколлекторном транзисторе ток одного коллектора увеличивается в магнитном поле, а ток другого коллектора уменьшается. Знак разности тока коллекторов может изменяться в зависимости от режима работы в разных конструкциях магнито-транзистора. Определение только положительной чувствительности для двухколлекторного транзистора неприменимо.
В двухколлекторном магнитотранзисторе определяется дифференциальная чувствительность по разности тока коллекторов, в результате чего полезный сигнал удваивается. Кроме того, дифференциальное включение уменьшает вклад синхронных помех в выходной сигнал. При значительном вкладе магнитоконцентрационного эффекта ток каждого коллектора в магнитотранзисторе Персиянова [7] изменяется нелинейно, но разность токов коллекторов имеет линейную зависимость от величины магнитной индукции.
Наиболее часто применяется для двухколлектор-ного магнитотранзистора формула относительной дифференциальной чувствительности по току [8]:
^я = А1с1,2/1С • В, (11)
где
А1С1,2 = 1С1(В) - 1С2(В)
- разбаланс токов коллекторов в магнитном поле,
1с = 1с1(В) + 1с2(В)
- сумма токов коллекторов, В - магнитная индукция.
При небольшой разности токов коллекторов можно использовать в сумме и в разности токов значения токов коллекторов в магнитном поле. При высокой чувствительности в сильном магнитном поле возникает большая разница между токами. Один ток может увеличиться в несколько раз. Уменьшение тока другого коллектора не может произойти на величину, превышающую исходное значение. В результате получается, что отношение разности токов к сумме
[/«(В) - /с21(Я)]/[/с1(Я) + «Я)]
будет стремиться к единице, несмотря на большую разность токов.
Между токами двух коллекторов реально всегда существует разница. Двухколлекторный БМТ обладает большим и зависящим от режима работы и часто переменным во времени разбалансом тока коллекторов. Начальный разбаланс может быть больше, чем тот, который возникает в магнитном поле. При измерении в слабых магнитных полях начальный разбаланс токов коллекторов при делении на малую величину индукции магнитного пол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.