МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 5, с. 366-377
ПРИБОРЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.3.049.77.002
МАГНИТОКОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ НА БАЗОВОМ ^и-ПЕРЕХОДЕ БИПОЛЯРНОГО МАГНИТОТРАНЗИСТОРА
© 2010 г. Р. Д. Тихонов
ГУНПК "Технологический Центр"МИЭТ E-mail: R.Tikhonov@tcen.ru Поступила в редакцию 01.06.2009г.
Экспериментально обнаруженный эффект отрицательной чувствительности связанный с возникновением объемного магнитоконцентрационного эффекта на рп-переходе карман-подложка двух-коллекторного латерального биполярного магнитотранзистора npn -типа, базой которого является диффузионный карман исследован с помощью приборно-технологического моделирования. Установлено, что знак чувствительности определяется разделением потоков электронов и дырок на pn-переходе карман подложка в магнитном поле. Приведен анализ модуляции проводимости в области объемного заряда pn-перехода магнитным полем.
ВВЕДЕНИЕ
Латеральный магнитотрагоисгор В работе [1] экспериментально установлено, что внешнее поперечное магнитное поле вплоть до индукции 2 Тл не влияет на уровень инжекции эмиттерар-п-р кремниевого бокового (латерального) магнитотранзистора (КБМ). Эффект модуляции инжекции магнитным полем не наблюдается. Магниточувствительность КБМ определяется изменением коэффициента передачи эмиттер-коллектор. Внешнее поперечное магнитное поле вызывает поворот линий эмиттерного тока в базовой области на основе полупроводника с равномерным распределением примеси. Чувствительность снижается при увеличении концентрации примеси в подложке.
Абсолютная токовая чувствительность экспоненциально возрастает при уменьшении расстояния между эмиттером и коллекторами. Использовались большие расстояния между эмиттером и коллекторами 50—150 мкм на кремнии п-типа проводимости с концентрацией примеси 5 х 1014 см-3 (КЭФ-10). На приборах с расстоянием 10 мкм на кремнии с концентрацией примеси 1016 см (КЭФ-0.5) нелинейности изменения тока коллектора в зависимости от величины магнитного поля не обнаружено. Абсолютная чувствительность по напряжению при нагрузке 60 МОм на КЭФ-10 составила 470 В/Тл при напряжении на коллекторе 40 В, на КЭФ-0.5 чувствительность равна 40 В/Тл. Относительная чувствительность по напряжению на КЭФ-10 составила 12 1/Тл, на КЭФ-0.5 составила 2 1/Тл.
В КБМ возникают магнитоконцентрационные эффекты, приводящие к дополнительному возрастанию или уменьшению коллекторного тока в зависимости от знака магнитной индукции (В+, В-). Величина магнитоконцентрационного эффекта зависит от
параметров базового материала, от отношения длины базы к диффузионной длине неосновных носителей заряда(^Б/Хр) : (ЖэДэ) от скорости поверхностной рекомбинации Б. При малом значении (^Б/Хр) и Б магнитоконцентрационные явления пренебрежимо малы и зависимость коллекторного тока от индукции является линейной. Разность токов коллекторов имеет линейную зависимость от индукции.
Магнитоконцентрационные явления понимаются в данной работе, 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.
Выводы работы [1] подтверждаются при расчетах биполярного п-р-п-магнитотранзистора (БМТ) с помощью программ приборно-технологического моделирования ШЕ ТСЛБ [2]. На рис. 1 дано распределение плотности тока и линий тока электронов в двух-коллекторном магнитотранзисторе. Для получения хорошей наглядности расчет проведен в достаточно сильном магнитном поле с индукцией В = 1.8 Тл. Слева от эмиттера Э линии тока укорачиваются и ток коллектора К2 увеличивается. Справа линии тока удлиняются и ток коллектора К1 уменьшается.
1. ЭФФЕКТ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
В латеральном двухколлекторном и-р-и-магнито-транзистре (БМТК), расположенном в диффузионном кармане с поверхностной концентрацией N = 2 х х 1016 см-3 и глубиной диффузии Х1= 6.6 мкм, наблюдается [2] изменение знака разности токов коллекторов. В магнитном поле с вектором индукции, направленном параллельно подложке, как показа-
Рис. 1. Распределение плотности тока и линий тока электронов в п-р-п БМТ при воздействии магнитного поля.
П^+) Б1(Р+) К1(N+) Э^+) К(Р) К2(N+) Б2(Р+)
Je(0) Je(B)
Рис. 2. Латеральный двухколлекторный п-р-п-магнитотранзистор, сформированный в диффузионном кармане.
но на рис. 2, по сравнению с транзистором БМТ в подложке с равномерным легированием N = 1015 см-3 (КДБ-12) изменяется знак дифференциального выходного сигнала. Транзисторы БМТК изготавливались по той же самой топологии и технологии, как и БМТ. Изменялся только тип проводимости подложки (и-тип проводимости кремния КЭФ-4.5) и в ней создавался диффузионный карман ^-типа.
Разница напряжений между коллекторами, возникающая в поле постоянного магнита с индукцией
В = 120 мТл, ВДВ) - №1(0) - Цк2(Б) + Цк2(0) представлена на рис. 3 в зависимости от напряжения питания при сопротивлении в нагрузке коллекторов 27 кОм. Эта разница увеличивается в БМТ с ростом напряжения питания до Ешт = 10 В и дает максиальное значение дифференциальной чувствительности по напряжению Б) макс = 0.9 В/Тл. Определение дифференциальной чувствительности по напряжению проводилось по формуле
Б) = {[ик1(В) - ик1(0)] - [(ик2(Б) - ик2(0)]}/В.
(1)
Разница напряжений на коллекторах БМТК на рис. 3 имеет отрицательный знак по сравнению с БМТ, а максимальное значение чувствительности БМТК с плавающим потенциалом подложки
Б) макс = -2 В/Тл наблюдалось при Епит = 5 В. При большем напряжении транзистор переходил в насыщение.
При соединении контактов к подложке и к базе-карману транзистор становится трехколлекторным. Рост разницы напряжений в БМТК начинается с напряжения порога срабатывания латерального транзистора 5 В и продолжает расти при макси-
мальном напряжении питания. Значение чувствительности доходит до Б) макс = -4.35 В/Тл.
Изменение напряжения на коллекторах БМТ в подложке с равномерным легированием соответствует отклонению инжектированных из эмиттера электронов в магнитном поле под действием силы Лоренца в сторону второго коллектора. Во втором коллекторе ток растет, а в первом уменьшается. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки первого коллектора падает, а напряжение на коллекторе растет. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки второго коллектора растет, а напряжение
В
(ию - щ, В
Рис. 3. Зависимость разности напряжения между коллекторами латерального двухколлекторного я-р-я-магнитотран-зистора. БМТ — в подложке, БМТК — в диффузионном кармане с плавающим потенциалом подложки, БМТК(^п = = иБ) — при равенстве потенциалов базы-кармана и подложки.
на коллекторе падает. Чувствительность определяется как положительная.
Изменение напряжения на коллекторах БМТК имеет противоположный знак по сравнению с БМТ. При безусловном отклонении инжектированных из эмиттера электронов под действием силы Лоренца в ту же сторону происходит рост тока первого коллектора и уменьшение тока второго коллектора. Чувствительность отрицательная.
Введение кармана с неравномерным распределением примеси в области базы изменяет характеристики двухколлекторного латерального магнито-транзистора. Знак чувствительности изменяется с положительного на отрицательный. Максимальное значение чувствительности повышается. Соединение контактов подложки и кармана создает порог срабатывания латерального транзистора — появление заметного тока коллектора при достижении некоторого тока эмиттера.
2. ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БМТК
Эффект изменения знака чувствительности
определяется распределением линий тока инжектированных носителей в кармане. В основном ток электронов в направлении к коллекторам протекает вблизи ря-перехода карман-подложка (рис. 4), где в силу распределения ниже концентрация примеси и больше диффузионная длина [4]. При расположении контакта к подложке на нижней по-
верхности пластины отрицательная чувствительность не наблюдается [5].
В работах [6, 7] показано, что при ибэ > 0.72 В база около эмиттера "заливается" инжектированными электронами с концентрацией больше концентрации дырок в базе, получаемой за счет легирования кармана и ря-переход между я-подложкой и р-кар-маном исчезает. Электроны заполняют не только базу, но образуют облако в подложке. Вместе с электронами в подложку проникают и дырки, компенсирующие заряд электронов. Около эмиттера в кармане и в подложке образуется электронно-дырочная плазма. В облаке плазмы происходит подавляющая часть рекомбинации, а процессы рекомбинации на поверхности и в базе играют второстепенную роль.
Основная часть тока электронов протекает к коллекторам вдоль границы перехода карман-подложка. Отклонение линий тока в магнитном поле приводит к их смещению в области кармана. Наблюдается пространственная модуляция распределения инжектированных носителей, т.е. магнитоконцентрацион-ный эффект в объеме полупроводника.
Каким образом изменяются концентрации электронов и дырок и скорость их рекомбинации показано на рис. 5—7 по результатам приборно-технологи-ческого моделирования [8—13]. На рис. 5 показана разность скорости рекомбинации электронов и дырок по механизму Шокли-Рида-Холла в области около эмиттера БМТК при воздействии магнитного поля и без поля. На рис. 6 показано распределение разности концентрации электронов в БМТК при воздействии магнитного поля и без поля. На рис. 7
Распределение плотности электронного тока вблизи областей коллектора, эмиттера, а также
контакта к базе
В = 1 Тл Ube = 0.756 В
Коллектор
Контакт к базе
Эмиттер
.4e—4 9.1e—3 7e-2 6.2e-1 3.85e+0 5.08e+1
A/cm2 __1-1 ППГЬ-иПЗ 1
р
—+4.162e+00
-+1.732e-02 -+7.208e-05
-+3.000e-07
3.65e+2
Рис. 4. Распределение плотности тока электронов в трехколлекторном БМТК.
Скорость рекомбинации ШРХ, 1/см3/с
nn_n
2 -
3.42 х1020
10
20
19
18
10
17
10
16
-10
17
10
18
I
-10
19
10
20
Length (microns)
Рис. 5. Распределение разности скорости рекомбинации электронов и дырок по механизму Шокли-Рида-Холла в БМТК при воздействии и без воздействия магнитного поля.
0
4
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.