9. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. — М.: Мир, 1974.
10. Херман Й., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов / Пер. с нем. — М.: Мир, 1986.
11. Азуми Т, Такахаси Й. // Приборы для научных исследований. — 1981. — № 9. — С. 133.
12. Перевозчиков С. М., Загребин Л. Д. // Приборы и техника эксперимента. — 2002. — № 4. — С. 161.
13. Parker W. J. е. а. // J. Appl. Phys. — 1961. — V. 32. — N 9. — P. 1679.
Дата одобрения 03.08.2006 г.
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.3.049.77.002
Механизмы чувствительности биполярного
магнитотранзистора. Ч. 1
Р. Д. ТИХОНОВ
Научно-производственный комплекс «Технологический Центр» МИЭТ,
e-mail: R.Tikhonov@tcen.ru
Исследования биполярного магнитотранзистора показали, что его чувствительность определяется концентрационно-рекомбинационным механизмом, зависит от магнитной индукции и растет в слабых магнитных полях. При изменении напряжения смещения база — эмиттер изменяется знак относительной чувствительности по току, ее максимальное значение при измерении магнитного поля с индукцией 0,3 мТл составляет 3300 Тл-1.
Ключевые слова: биполярный магнитотранзистор, чувствительность по току.
Research of bipolar magnetotransistors are shown, that its sensitivity is determined by concentration-recombination mechanism. It depends from magnetic induction, and grows in weak magnetic fields. At change of displacement voltage of the base — emitter a sign of relative current sensitivity is changed. The maximal value at measurement of a magnetic field 0,3 mT is 3300 Т-1.
Key words: bipolar magnetotransistor, current sensitivity.
Со времени первого успешного опыта по определению воздействия магнитного поля на биполярный транзистор [1] исследовано большое количество структур биполярных маг-нитотранзисторов (БМТ), которые описаны в обзорах [2, 3]. К достоинствам БМТ относятся высокая магниточувствитель-ность, возможность интегральной микроэлектронной реализации, микрометровые размеры, высокие разрешающая способность, рабочая частота, отношение сигнал — шум, а также избирательность к направлению магнитного поля, что позволяет проводить трехмерное определение вектора магнитного поля. Несмотря на то, что БМТ имеет существенные недостатки и, в первую очередь, значительный разброс начальных токов коллектора [4], научный интерес к прибору не ослабевает. В многомиллионных тиражах микромагнито-электронных изделий в основном, однако, используются маг-ниторезисторы и датчики Холла [5].
Экспериментальное исследование и приборно-техноло-гическое моделирование позволили выяснить многие важ-
ные моменты в работе БМТ. Однако в [3] отмечены три особенности БМТ, которые не нашли исчерпывающего объяснения: изменение чувствительности в диапазоне 0,01—104 Тл-1, что вряд ли связано только с геометрией образцов; перемена знака чувствительности при разных режимах работы двухколлекторного магнитотранзистора; роль механизма модуляции инжекции в работе БМТ.
Ниже сделана попытка объяснить данные положения.
Физические эффекты, определяющие чувствительность магнитотранзистора. Подавляющее число исследований БМТ посвящено двухколлекторным конструкциям (рис. 1), которые разделяют на вертикальные [6], планар-ные [7] и латеральные [8]. Вертикальные и латеральные БМТ чувствительны к магнитному полю, направленному вдоль поверхности кристалла, а планарные — перпендикулярно к ней. Для интегрирования в микросхемы латеральные БМТ размещают в кармане и обычно применяют в КМОП-схе-мах [2]. В различных модификациях этих транзисторов наря-
■0 Еп
~0ЕП
К1
К2
1
□ П Г
R6 '— и — "к 1—
К
в г
Риc. 1. Основные типы конструкций двухколлекторных биполярных магнито-
транзисторов:
а — вертикальная, б — планарная, в — латеральная, г — латеральная
в КМОП-кармане
ду с основным эффектом отклонения потоков носителей заряда под действием силы Лоренца учитывают эффект Холла, изменение эффективной длины базы, влияние встроенного поля в базе, модуляцию инжекции и магнитоконцент-рационные эффекты, что позволяет значительно повысить чувствительность по сравнению с вертикальными транзисторами, работающими только на эффекте отклонения.
В [3] приведено значение аномально высокой чувствительности 104 Тл-1, которую наблюдали авторы [9] в структуре латерального БМТ с тянущим полем в базе, представленной на рис. 2, а. Эмиттер шунтирован дополнительным контактом к базе Б3. Инжекция из эмиттера в направлении коллектора происходит, когда через эмиттер и контакт Б3 протекает постоянный ток (/э _ 6з 61 = const) или когда Э и Б3 имеют плавающий потенциал, а ток /б1 2 вызывает напряжение на верхней поверхности. Высокая чувствительность достигается при очень малом токе коллектора 1к. Предполагается, что это происходит вследствие комбинированного действия эффекта модуляции инжекции, косвенного отклонения под действием напряжения Холла и в присутствии токового шнура. Описанная структура не нашла дальнейшего применения.
В [3] также сообщается об эффекте управления полярностью магниточувствительного сенсора [10] в тангенциальном магнитном поле, воздействующем на структуру планар-ного БМТ с тянущим полем в базе (рис. 2, б). Полярность менялась при монотонном возрастании тока эмиттера 1э и
заданном токе между базовыми контактами /б1 2. Имеется рабочая точка, в которой функция преобразования отсутствует. Эффект объясняется, если исходить из представлений о направлении вектора скорости носителей тока в различных участках сенсора. Однако причина зависимости эффекта от тока эмиттера, т. е. от уровня инжекции, остается неясной. Сенсоры имеют низкую чувствительность, поэтому для ее повышения используют коллекторы, разделенные и соединенные перекрестно: К. 1 с К2 2, а К. 2 с К2 1.
Функционирование планарного БМТ с тянущим полем в базе при высоком и низком уровнях инжекции и изменение механизма чувствительности были рассмотрены в [2, 11, 12]. Напряжение смещения между контактами к базам Б1 и Б2 (см. рис. 2, б) создает тянущее поле в базе и дрейфовую составляющую тока. Последняя имеет одно направление вне зависимости от типа носителей, а следовательно, потоки электронов и дырок движутся во встречных направлениях в силу различия знаков заряда. Принимается во внимание вклад тока основных и неосновных носителей заряда в разбаланс напряжений на рабочих коллекторах. При низком уровне инжек-ции из эмиттера поток основных носителей заряда в базе создает ЭДС Холла на коллекторах, а при высоком уровне инжекции основным является отклонение потока неосновных носителей заряда, инжектированных из эмиттера. В этом случае на магниточувствительность влияет трехкратное различие подвижности электронов и дырок в кремнии. При анализе не учитывался механизм рекомбинации носителей заряда, имеющей важное значение для работы биполярных транзисторов с длинной базой [13, 14].
Разновидность планарных БМТ (рис. 2, в) с диском Кар-бино [15] имеет центральный эмиттер и кольцевой коллектор. Этот прибор основан на принципе изменения эффективной длины базы из-за искривления линий тока инжектированных носителей заряда при воздействии магнитного поля В. При увеличении эффективной длины базы растет ее объемное сопротивление потоку инжектированных носителей заряда, что в итоге изменяет ток коллектора.
Высокочувствительный магнитотранзистор с комбинацией эффекта Холла и модуляции инжекции из эмиттера исследован в режиме насыщения [16]. Структура БМТ, показанная на рис. 2, г, имеет охранное кольцо вокруг квадратного эмиттера большой площади. В области эмиттера с помощью двух контактов V и Gr создается ток, на который воздействует перпендикулярное поверхности магнитное поле, и на краях эмиттера на контактах Х1 и Х2 возникает ЭДС Холла. За охранным кольцом с двух сторон от эмиттера расположены два коллектора К1 и К2, а по углам эмиттера — четыре базовых контакта. На одну пару базовых контактов Б1 подается напряжение смещения V + V.,, немного превышающее потенциал V токового контакта на эмиттере, а на другую пару Б2 — потенциал Gr + V., который на столько же больше потенциала заземленного второго токового контакта эмиттера Gr. Напряжение смещения V обеспечивает ин-жекцию носителей заряда из эмиттера мимо охранного кольца в подложку, служащую базой, и далее в коллекторы.
Рис. 2. Структура латерального БМТ: a — с тянущим полем в базе и аномально высокой чувствительностью; б — с тянущим полем в базе и управляемой полярностью чувствительности; в — диск Карбино; г — с датчиком Холла в эмиттере и охранным кольцом; д — с охранным кольцом в кармане
При магнитной индукции В = 0,3 Тл ЭДС Холла, которая может достигать 6 мВ, модулирует инжекцию с двух сторон эмиттера и коллекторные токи в противоположном направлении. Процесс модуляции инжекции не отделялся от эффекта отклонения, поэтому не очевидно, что именно ЭДС Холла определяет чувствительность. С другой стороны, присутствие охранного кольца увеличивает чувствительность с 0,7 до 99 %, т. е. более чем в 100 раз. Наивысшая чувствительность до 240 Тл-1 получается только в присутствии охранного кольца в режиме насыщения при I = 1 нА.
Инжектированные в объем подложки потоки носителей заряда отклоняются под действием магнитного поля: со стороны одного коллектора — прижимаются к охранному кольцу, и ток уменьшается из-за роста скорости рекомбинации, а со стороны другого коллектора — отходят от охранного кольца, что уменьшает скорость рекомбинации. Зависимость чувствительности магнитодиодов от поверхностной рекомбинации хорошо известна [17]. По-видимому, именно этим эффектом можно объяснить механизм достижения высокой чувствительности при малых токах коллектора в БМТ.
Понятие модуляции инжекции, введенное впервые в [18], было использовано в магнитном датчике с дифференциальным усилением [19], представляющем собой комбинацию горизонтального датчика Холла в базе пары вертикальных биполярных транзисторов. При наличии магнитного поля в базовой области возникает ЭДС Холла, которая непосредственно преобразуется в разность уровней инжекции эмиттеров и разбаланс токов коллекторов. Принцип модуляции инжекции определен следующим об
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.