научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ РЕКОМБИНАЦИИ В ОБЪЕМЕ БИПОЛЯРНОГО МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ТРАНЗИСТОРА Энергетика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ РЕКОМБИНАЦИИ В ОБЪЕМЕ БИПОЛЯРНОГО МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ТРАНЗИСТОРА»

УДК 621.3.049.77.002

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕКОМБИНАЦИИ В ОБЪЕМЕ БИПОЛЯРНОГО МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ТРАНЗИСТОРА

А.В. Козлов, М.А. Ревелева, Р.Д. Тихонов

С помощью приборно-технологического моделирования исследована объемная рекомбина ция в латерал ьном биполярном магниточувствительном транзисторе (БМТ), сформированном в кармане. Показано, что при выборе структуры БМТ с определенными параметрами и режимом работы возможно формирование потоков носителей тока с преобладающей объемной рекомбина цией. При воздействии магнитного поля возникает объемный механизм чувствительности БМТ, что позволяет уменьшить зависимость чувствительности от состояния поверхности прибора и получить два знака относительной магниточувствительности по току.

Полупроводниковые датчики величины и направления магнитного поля находят все более широкое распространение в микросистемах, где все их компоненты, в том числе микроминиатюрные устройства для контроля и управления автоматизированными комплексами, создаются методами микроэлектроники.

Среди различных видов полупроводниковых магниточувстви-тельных элементов — резисторов, диодов, датчиков Холла, биполярных и МОП двухколлекторных транзисторов — БМТ со времени изобретения этого прибора вызывает особый интерес в связи с возможностью получения высокой магниточувствительности. Чувствительность БМТ обусловлена отклонением потоков, инжектированных из эмиттера носителей заряда, при пробеге их через базу к коллектору в магнитном поле под действием силы Лоренца. Для повышения чувствительности БМТ разрабатываются структуры прибора, в которых кроме перераспределения токов между коллекторами используются также эффект Холла, гальваномагнитные эффекты, рекомбинация носителей заряда в объеме и на поверхности прибора.

Первая структура полупроводникового магнитного преобразователя, предложенная в патенте [1], представляла собой вертикальный биполярный транзистор с коллектором, разделенным на две части. В этом приборе большая часть носителей достигает коллектора. На фоне тока коллектора Ic часть тока dIc, перераспределенная под воздействием магнитного поля с индукцией {, составляет незначительную величину, поэтому относительная чувствительность по току, определяемая по формуле SR = (dIc/dB)/IcB [7^], не превышает величины 0,05 Г"1.

Переход от вертикальной структуры транзистора к горизонтальной [2, 3] обеспечил значительно более высокую чувствительность. Этот прибор состоит из пары латеральных транзисторов с общим эмиттером. Из-за большого расстояния от эмиттера до коллекторов и высокой скорости рекомбинации носителей тока в базе и на поверхности кристалла горизонтальный БМТ имеет малый коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор и относительно невысокие значения тока рабочих коллекторов. Для работы прибора существенно то, что инжектированные из эмиттера потоки носителей заряда текут к двум коллекторам в противоположных направлениях, и под действием силы Лоренца один поток прижимается к поверхности, а другой отодвигается от поверхности [4]. Ток коллектора в магнитном поле сильно изменяется вследствие поверхностной рекомбинации. Так, наблюдалось изменение тока коллектора (!1С/(1В в четыре раза большее, чем первичный ток коллектора 1С и чувствительность 65 = 4 Т^1 [5].

При низком уровне инжекции высокое значение чувствительности объясняется тем, что напряжение Холла воздействует на инжекцию из слабо легированной области эмиттера [5]. При высоком уровне инжек-ции повышение чувствительности вызвано магнитоконцентрационным эффектом, когда носители заряда изменяют сопротивление базы.

В БМТ с добавлением двух коллекторных электродов и трех базовых контактов [6] совмещается датчик Холла с отклонением носителей заряда. При низком уровне инжекции сигнал создается эффектом Холла за счет тока основных носителей заряда. При высоком уровне инжекции сигнал определяется отклонением

силой Лоренца тока неосновных носителей заряда.

Из биполярных магниточувстви-тельных транзисторов может быть сформирована интегральная матрица, позволяющая измерять распределение магнитного поля [7]. Интегральная матрица БМТ строится на основе датчика магнитного поля в виде латерального биполярного двух-коллекторного транзистора. Матрица изготавливается по КМОП технологии. Транзисторы формируются в диффузионных карманах на поверхности кремниевой подложки [8] так, что ^-и-переход между подложкой и карманом обеспечивает изоляцию транзистора от других элементов интегральной схемы.

Основной недостаток горизонтального БМТ состоит в том, что рекомбинация на поверхности прибора является определяющим фактором для получения высокой чувствительности. Состояние поверхности БМТ зависит от влияния многих технологических и внешних факторов, поэтому БМТ находят ограниченное применение, а зачастую используются обладающие меньшей чувствительностью датчики Холла.

Кроме поверхностной рекомбинации в объеме БМТ происходит рекомбинация по механизму Шок-ли—Рида—Холла (ШРХ), влияние которой исследовано недостаточно полно. Данная работа посвящена исследованию объемной рекомбинации в объеме БМТ, сформированного в кармане. Цель работы — уменьшение зависимости чувствительности датчика магнитного поля от состояния поверхности прибора. Исследования выполнены с помощью программ приборно-техно-логического моделирования фирмы 16Е АС. Получены распределения концентраций электронов и дырок, а также скорости их рекомбинации по механизму ШРХ в структуре

24

Sensors & Systems • № 11.2003

Рис. 1. Структура, схема включения и условное представление потоков электронов и дырок в биполярном двухколлекторном латеральном транзисторе (БМТ), сформированном в кармане

двухколлекторного латерального п-р-п БМТ, сформированного в кармане ^-типа проводимости на подложке п-типа.

В центре исследуемой структуры (рис. 1) в диффузионном кармане располагается п+ диффузионная область эмиттера, далее от центра располагаются две р+ диффузионные области, обеспечивающие омический контакт к карману, являющемуся базой транзисторов. За контактами к базе располагаются две п+ диффузионные области рабочих коллекторов, а за пре делами кармана — две п+ диффузионные области, обеспечивающие омический контакт к подложке. Длина диффузионных областей в направлении, перпендикулярном плоскости сечения, составляет 80 мкм. Размеры в плоскости сечения видны на рисунках.

Структура БМТ и режим его работы выбраны таким образом, чтобы создать направление потока инжектированных из эмиттера электронов в сторону подложки, что обеспечивает протекание процесса рекомбинации с потоком дырок в объеме полупроводника.

К рабочим коллекторам подключается напряжение 8С1, 8С2 от источника питания 1,5 В. Между базовым контактом и эмиттером подается разность потенциалов 8. Под действием разности потенциалов из базового контакта протекает в эмиттер поток дырок -к и происходит инжекция из эмиттера потока электронов Поток электронов обозначен на рисунке пунктирными стрелками, а поток дырок — сплошными стрелками. Одна часть потока электронов доходит до рабочих коллекторов, другая — до контактов к подложке. Значительная часть инжектированных электронов рекомбинирует с дырками в кармане и в подложке. Дополнительный поток дырок из контактов идет на поддержание процесса рекобина-ции в кармане и в подложке.

Схема включения напряжения на прибор с введением электрического соединения между контактами к базе и контактами к подложке обеспечивает отсутствие напряжения смещения на р-п-переходе подложка — карман. Протекание потока инжектированных из эмиттера носителей заряда через карман в сторону подложки происходит по диффузионному механизму. В кармане и в подложке инжектированные носители заряда рекомбиниру-

ют в объеме полупроводника с носителями заряда другого знака, вытекающими из контактов к базе и диффундирующими в карман и в подложку и обеспечивающими при этом сохранение электронейтральности в объеме полупроводника вследствие компенсации зарядов носителей разного знака.

На рис. 2 приведено поперечное сечение структуры прибора в области эмиттера размером 26x6 мкм. При-

бор находится в магнитном поле с величиной магнитной индукции В равной 1 Тл и с направлением вектора вдоль эмиттера в сторону наблюдателя. На контакты к базе и к подложке подается напряжение 8 равное 0,74 В. Распределение скорости объемной рекомбинации электронов и дырок по механизму ШРХ в диапазоне скоростей (1...5) 1020 см—3с—1 представлено трехмерной диаграммой.

Рис. 2. Распределение скорости рекомбинации электронов и дырок в области кармана БМТ около эмиттера при воздействии магнитного поля

Датчики и Системы • № 11.2003

25

Рис. 3. Условное представление изменения положения потоков электронов и дырок в БМТ при воздействии магнитного поля

1Е-5-

1Е-10-

к х о Н

0,8 0,9

Напряжение на базе В

Рис. 4. Зависимости токов рабочих коллекторов и относительной магниточувстви-тельности по току от напряжения смещения между эмиттером и контактами к карману-базе и к подложке

Рис. 5. Распределение разности концентрации электронов в БМТ при введении воздействия магнитного поля

Интенсивная рекомбинация происходит около оси симметрии вдоль распространения инжектированного потока электронов, уменьшающегося по мере удаления от эмиттера за счет рекомбинации и растекающегося на потоки, идущие к рабочим коллекторам и контактам к подложке. Характерно наличие более высокой скорости рекомбинации с левой стороны структуры, куда под действием магнитного поля отклоняется поток электронов и куда прижимается поток дырок от левого контакта к базе, тогда как поток дырок от правого контакта к базе отжимается от оси симметрии и от потока электронов.

На рис. 3 показано условное распределение потоков носителей заряда -е(0), -к(0), которое имеет симметричный вид без магнитного поля. При приложении магнитного поля с направлением вдоль оси эмиттера под действием силы Лоренца потоки электронов -е(В) и дырок -к(В), текущих в одном направлении, испытывают отклонение в противоположные стороны. Потоки дырок, идущих из двух контактов к базе в сторону подложки, отклоняются направо, а поток электронов, идущ

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.

Показать целиком