МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 1, с. 46-58
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
УДК 621.3.049.77.002
НАЧАЛЬНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ ИНТЕГРАЛЬНОГО МАГНИТОТРАНЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА
© 2010 г. Р. Д. Тихонов
ГУНПК "Технологический Центр"МИЭТ E-mail: R.Tikhonov@tcen.ru Поступила в редакцию 18.12.2008 г.
Экспериментально исследован начальный разбаланс напряжения между коллекторами в интегральной схеме, включающей двухколлекторный латеральный биполярный n^n-магнитотранзи-стор, сформированный в кармане, и поликремниевые резисторы. Выбор схемы включения магни-тотранзистора определяет режим работы и его влияние на разбаланс. Начальный разбаланс между напряжениями на коллекторах уменьшен до значения меньше 1 мВ, что позволяет увеличить относительное значение полезного сигнала.
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее востребованными датчиками физических величин являются магниточувствительные датчики, выполненные на основе интегральных полупроводниковых магниточувствительных элементов. Такие датчики широко применяются при создании объектов автомобильной и авиа индустрии, при построении навигационных систем морского и речного флота; при создании электронных магнитных компасов. Магниточувствительными элементами при этом обычно выступают как самые простые и хорошо изученные резисторы и элементы Холла, так и сложные функциональные магниточувствительные транзисторы, одним из которых является двухколлекторный биполярный магнито-чувствительный транзистор (БМТ).
К достоинствам БМТ относятся высокая магни-точувствительность, 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 интегральный полупроводниковый прибор с такими замечательными рабочими характеристиками не находит применения в многомиллионных тиражах микро-магнитоэлектронных изделий, где используются магниторезисторы и датчики Холла.
Начальная разность потенциалов коллекторов — разбаланс создает основное ограничение для широкого применения двухколлекторного биполярного магнитотранзистора [1]. Исследование механизмов образования начального разбаланса БМТ являются
актуальной задачей для развития интегральной маг-нитоэлектроники.
Определение факторов, приводящих к асимметрии характеристик двухколлекторного биполярного магнитотранзистора — БМТ посвящены экспериментальные и аналитические исследования в работе [2]. "Типичные значения" разбаланса в БМТ составляют несколько процентов от напряжения коллектора. Разбаланс имеет отличие в индивидуальных приборах. Это изменение обычно доминирует над статистикой. Систематическое изменение наблюдается только в некоторых случаях. Наблюдается сильное несоответствие разбаланса даже между соседними приборами, изготовленными на одной пластине. Было показано, что факторы отклонения размеров элементов, концентрации примеси в кремнии и в контактах, влияние неоднородности окисла на поверхности кремния дают разбаланс токов коллекторов не более 2%. Причем эти факторы устранимы при совершенствовании технологии. Следовательно, большая величина разбаланса связана, очевидно, с другими факторами, определяющими работу БМТ.
Разница напряжения на двух коллекторах биполярного магнитотранзистора создает начальный разбаланс, который входит в разбаланс напряжений, возникающий при воздействии магнитного поля. Абсолютная дифференциальная чувствительность по напряжению БМТ, определяется по разнице потенциалов между коллекторами UC1(B) — UC2(B) в магнитном поле с индукцией В с учетом начального разбаланса потенциала коллекторов UC1(0) — UC2(0) по формуле
Sad = [ Ua(B) - Ua(B)] - [ Ua(0) - Ua(0)]/B. (1)
|7С1 - иС2|, мВ 350
(а)
300 250 200 150 100 50
0
1400
мкА
(б)
Транзистор 1 Размер эмиттера 36 х 48 мкм
13 10 18 16 мкм
Транзистор 2 Размер эмиттера 18 х 96 мкм
Контакт 1 Коллектор 1 Эмиттер к базе-карману
3
Рис. 1. (а) Зависимость разности напряжения между двумя коллекторами — 7^2 биполярного магнитотранзистора с базой-карманом от тока смещения базы 1В без магнитного поля (кривые 7, 2) и в магнитном поле с индукцией В =180 мТл (кривые 3, 4). Кривые 7, 3 относятся к транзистору с размером эмиттера 36 х 48 мкм. Кривые 2, 4 относятся к транзистору с размером эмиттера 18 х 96 мкм. (б) Геометрия электродов двух магнитотранзисторов.
1. РЕЖИМ РАБОТЫ И СТРУКТУРА ТРАНЗИСТОРА
Измерения двух транзисторов изготовленных на одной пластине проводились при напряжении питания 9 В и с сопротивлениями в цепи коллекторов 30 кОм. При изменении режима работы транзистора за счет увеличения тока базы происходит одно-
временный рост разности напряжения между коллекторами как начальной, так и в магнитном поле электромагнита с индукцией 180 мТл, как показано на рисунке 1а для двух транзисторов. Начальный разбаланс напрямую зависит от режима работы маг-нитотранзистора. Увеличение токов базы, эмиттера и коллекторов увеличивает полезный сигнал и чувствительность.
(1С1 - 0/%, %
Рис. 2. Зависимость начального разбаланса токов коллекторов двухколлекторного латерального биполярного магни-тотранзистора с базой-карманом при задании тока смещения через объединенные контакты к базе и к подложке.
Транзисторы имели отличие по структуре (рис. 1б). При одинаковой площади эмиттера во втором транзисторе эмиттер имеет форму длинного прямоугольника, а не почти квадрата как в первом транзисторе. При одинаковом токе базы разница напряжения между коллекторами в магнитном поле одинакова для двух транзисторов, но транзистор с квадратным эмиттером имеет первоначальный разбаланс в 3 раза больше. Можно считать, что геометрия транзистора влияет на начальный разбаланс. Удлиненная форма эмиттера является более предпочтительной для уменьшения начального разбаланса.
Приведенные выше результаты получены для двухколлекторного латерального биполярного маг-нитотранзистора, сформированного в кармане, который служит базой транзистора [3]. При измерениях контакт к подложке ни с чем не соединен, и подложка находится при плавающем потенциале. Подложка имеет п-тип проводимости, а карман р-тип. На рп-переходе карман-подложка нет напряжения смещения.
Если контакт к подложке соединить с контактом к базе, то рп-переход карман-подложка служит третьим коллектором. Коллектор этого вертикального транзистора расположен ближе к эмиттеру, чем коллекторы латеральных транзисторов. Большая часть инжектированных из эмиттера электронов уходит в
этот коллектор. Режим работы магнитотранзистора изменяется, что приводит к изменению характеристик, как это показано в работе [4]. Разбаланс токов коллекторов представлен для такой схемы включения двухколлекторного латерального биполярного магнитотранзистора с базой-карманом на рис. 2 в виде зависимости относительной разности токов двух коллекторов от входного тока, являющегося суммой токов базы и рп-перехода карман-подложка. При этом разбаланс достигает ±8%, а при токе базы-кармана 2.6 мА равен нулю. Следовательно, можно выбрать режим работы БМТ без разбаланса. С другой стороны, двузначность разбаланса указывает на его связь не только с начальной асимметрией, но и с режимом работы прибора.
2. СХЕМА ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ БМТ
Датчики магнитного поля собирались из кристаллов латеральных двухколлекторных прп-бипо-лярных магнитотранзисторов с базой в виде диффузионного кармана р-типа проводимости. Топология БМТ второго типа. Выводы для создания электрического соединения БМТ со схемой формируются посредством двух контактов базы, выполненной на основе области кармана р-типа, посредством единственного контакта к подложке п-типа проводимости, а также посредством
(а) (б)
Рис. 3. Электрические схемы включения двухколлекторного латерального биполярного магнитотранзистора, сформированного в кармане.
а(1, 2, 3). Уас = 9 В. ЯС1 = ЯС2 = 266.6 кОм. ЯВ5 = 6.267 кОм. А'(11, 12,13). Уас = 9 В. ЯС1 = ЯС2= 27.1 кОм. ЯВ = 12.83 кОм. б. ЯВ1 = ЯВ2 = ЯС1 = ЯС2 = 39 кОм, Я5 = 1.75 кОм.
контактов к п+-типа проводимости областям двух коллекторов и эмиттера.
Измерения проводились в схеме, указанной на рис. 3а. Напряжение питания задавалось УЛс = 9 В. Навесные сопротивления нагрузки коллекторов ЯС1, ЯС2 выбирались с номиналом 266.6 кОм. Ток в базу и в подложку задавался от источника питания через сопротивление ЯВ = 6.267 кОм, что обеспечивало рабочую точку с напряжением на коллекторе около 2 В. Общая величина тока базы и подложки равна 1.3 мА. Магнитное поле с индукцией 5 мТл создавалось в соленоиде при включении постоянного тока. Образцы размещались внутри соленоида с направлением магнитной индукции вдоль оси соленоида параллельно поверхности кристалла и длинной стороне эмиттера.
В табл.1 приведены результаты измерения потенциалов на коллекторах, разности потенциалов без магнитного поля и при включении поля. По
Таблица 1. Параметры датчиков на основе БМТ
№ ис1, В ис2, В А^с1,с2(0), мВ
1 2.43 2.52 60
2 2.29 2.32 135
3 2.69 2.87 114
11 3.27 3.28 12
12 5.23 5.26 31
13 4.43 4.4 30
этим результатам вычислялось изменение разности напряжения между коллекторами при воздействии магнитного поля и абсолютная дифференциальная чувствительность, которая определялась как отношение изменения напряжения между коллекторами к индукции.
Образцы №№ 11, 12, 13 измерены при плавающем потенциале подложки и при сопротивлениях ЯС1, ЯС2 = 27.1 кОм, ЯВ = 12.83 кОм. Результаты измерений представлены в трех нижних строчках таблицы. Значения максимальной чувствительности у этих датчиков ниже 1.3 ± 0.5 В/Тл. При соединенных выводах подложки и базы на образцах №№ 1, 2, 3 наблюдается более высокая максимальная абсолютная дифференциальная чувствительность 7.3 ± 0.3 В/Тл.
Получение высокой чувствительности определяется возможностью использовать большое коллекторное сопротивление для измерительных коллекторов. Большая часть инжектированных из
АиС1 С2(5мТл), мВ
- АСасзРмТл), мВ макс В/Тл
35.4 7.08
38 7.6
35 7
9 1.8
4 0.8
8 1.6
24.6 97 79 21 27 22
0 1 2 3 4 5
1$, мА
Рис.
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.