МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 5, с. 383-397
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
УДК 621.3.049.77.002
ЭФФЕКТ СТРУКТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЗНАКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ БИПОЛЯРНОГО МАГНИТОТРАНЗИСТОРА
© 2008 г. Р. Д. Тихонов
ГУ НПК "Технологический Центр" Московский институт электронной техники
R. Tikhonov@tcen.ru Поступила в редакцию 16.12.2008 г.
При сравнении результатов измерения двухколлекторного латерального биполярного магнитотранзи-стора, сформированного в равномерно легированной подложке или в диффузионном кармане установлено, что разность напряжения коллекторов при воздействии магнитного поля имеет разный знак. Эффект трактуется используя понятие знака магниточувствительности. С помощью приборно-технологического моделирования исследованы распределения носителей заряда, плотности токов и скорости рекомбинации в магнитотранзисторе, сформированном в кармане при внешнем соединении контактов к подложке и к карману. Показано, что при планарном расположении контактов к подложке в результате действия гальваномагнитных эффектов возникает объемный концентрационно-рекомбинационный механизм отрицательной магниточувствительности.
Ключевые слова: биполярный магнитотранзистор, гальваномагнитные эффекты, знак магниточувстви-тельности.
PACS: 85.40.-e
1. ВВЕДЕНИЕ
Действие электрического и магнитного полей на хаотически движущиеся носители заряда в полупроводнике с однородным распределением примеси приводит к сдвигу носителей на длине свободного пробега в направлении действия электрического поля и искривлению траектории носителей под действием силы Лоренца в направлении перпендикулярном действию электрического поля. Электрическое поле создает ток, а при воздействии магнитного поля возникает два эффекта. Продольный гальваномагнитный эффект Гаусса - изменение сопротивления полупроводника в магнитном поле и дополняющий его поперечный эффект, приводящий к возникновению ЭДС Холла между боковыми поверхностями образца [1]. Изменение сопротивления трактуется как изменение подвижности в каждой точке полупроводника или как отклонение линии тока, что увеличивает ее эффективную длину. ЭДС Холла создается зарядами разного знака, накапливающимися на противоположных боковых поверхностях образца.
В собственном полупроводнике два типа носителей заряда электроны и дырки в электрическом поле дрейфуют навстречу друг другу и отклоняются магнитным полем в одну сторону. На одной боковой поверхности увеличивается концентрация электронно-дырочной плазмы, а на другой уменьшается, что определяет увеличение эффекта Гаусса и уменьшение эффекта Холла. Кроме изменения концентрации носителей заряда возникает еще
гальваномагнитнорекомбинационный (ГМР) эффект [2-4]. Усиление эффекта достигается при обработке поверхности образцов для повышения скорости рекомбинации.
В магнитодиодах второй тип носителей вводится с помощью инжекции неосновных носителей заряда [5] в сравнимую с диффузионной длиной область базы, что позволяет во много раз увеличить магни-точувстительность, особенно при увеличении скорости рекомбинации на одной из боковых областей.
Вертикальный биполярный магнитотранзистор (БМТ) основан на эффекте отклонения под действием силы Лоренца в магнитном поле, направленном вдоль поверхности кристалла, потока инжектированных из эмиттера носителей заряда в базе транзистора и перераспределении потока между половинами разделенного коллектора [6].
В планарном БМТ [5] используется инжектированный вдоль поверхности кристалла поток носителей заряда. Магнитное поле, направленное перпендикулярно поверхности отклоняет поток в сторону одного из двух коллекторов, расположенных на поверхности. Экстракция носителей коллекторами эквивалентна высокой скорости рекомбинации на поверхности. Эффект отклонения изменяет эффективную длину линий тока и приводит к перераспределению потока носителей заряда между коллекторами.
В латеральном БМТ [7] эмиттер расположен между коллекторами на поверхности кристалла.
Магнитное поле направлено вдоль поверхности кристалла. Инжектированные носители заряда при воздействии поля отклоняются с одной стороны от эмиттера к поверхности, что укорачивает линии тока, уменьшает рекомбинацию в объеме и одновременно увеличивает рекомбинацию на поверхности. С другой стороны от эмиттера линии тока удаляются от поверхности кристалла и удлиняются, рекомбинация в объеме растет, а на поверхности уменьшается. В работе [7] рассматривается возможность действия магнитоконцентрационного эффекта, связанного с изменением концентрации инжектированных носителей заряда при отклонении потока носителей к поверхности и усилению скорости поверхностной рекомбинации (ГМР-эффект).
Особенно заметно магнитоконцентрационный эффект проявляется при высоком уровне инжек-ции [8], при котором происходит модуляция сопротивления базы биполярных магнитотранзисторов инжектированными неосновными носителями и основными носителями, компенсирующими их заряд. Магнитоконцентрационный эффект приводит к образованию сильно локализированных токовых шнуров [9].
В латеральных магнитотранзисторах, изготовленных по КМОП-технологии, формирование областей эмиттера и коллекторов проводится не в равномерно легированной подложке, а в диффузионном кармане, который служит базой транзистора [10]. В латеральном БМТ с подавлением боковой инжекции между эмиттером и коллектором введено кольцо из окисла [11] или дополнительного легирования базы [12, 13], которое ограничивает прохождение потока инжектированных носителей заряда вдоль поверхности.
В вертикальном БМТ с тонкой базой [14] основной ток дырок от контакта к базе проходит, согласно двумерного моделирования, в пассивной базе до края эмиттера. Инжекция из эмиттера происходит в основном из краевых областей. Два потока инжектированных электронов проходят перпендикулярно поверхности подложки из эмиттера через активную базу в слаболегированный коллектор и далее к коллекторным контактам. Распределение базового дырочного тока изменяется в магнитном поле, направленном вдоль эмиттера и дырочный ток отодвигается от одного края эмиттера и прижимается к другому краю. Изменение дырочного тока приводит к изменению инжекции электронов из эмиттера и изменению коллекторных токов. Это действует эффект модуляции инжекции в результате отклонения базового тока. В коллекторе магнитное поле изменяет изгиб линий тока.
Для латерального БМТ с подавлением боковой инжекции [14] воздействие магнитного поля на дрейфовый ток основных носителей в базе считается определяющим для возникновения чувствительности. При этом изменяется распределенное сопро-
тивление базы, т.е. происходит магнитоконцентра-ционный эффект.
2. ЗНАК МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Воздействие магнитного поля на полупроводниковые приборы определяется взаимодействием тока и магнитного поля и возникновением при этом силы Лоренца Г, действующей на ток по формуле векторного произведения плотности тока / и магнитной индукции В
Г= [ / х В ]. (1)
Изменение тока под воздействием магнитного поля позволяет называть эти приборы токомагнит-ными преобразователями. Чувствительность по току электронных приборов к магнитному полю вычисляется по производной зависимости тока /(В), протекающего через прибор тока от магнитной индукции В. Увеличение тока под влиянием магнитного поля дает положительный знак производной й/(В)/йВ > 0. Уменьшение тока в магнитном поле и соответственно отрицательный знак производной й/(В)/йВ < 0 можно трактовать как отрицательную чувствительность [15].
Сопротивление магниторезисторов прямоугольной и цилиндрической формы повышается в магнитном поле [1]. Под действием силы Лоренца прямые линии плотности тока превращаются в дуги и увеличивается эффективная длина прибора (рис. 1а). При заданном напряжении на магни-торезисторе начальная плотность тока 7(0) уменьшается [16] по формуле
7(В) = 7(0)/(1 + т2В2), (2)
где т - геометрическая магниторезистивная подвижность.
Чувствительность магниторезисторов й/(В)/йВ имеет отрицательный знак.
В магнитодиоде электроны инжектируются из
эмиттера в г-область с малой концентрацией носителей и собираются на Р+ контакте [17]. Под действием силы Лоренца прямые линии плотности электронного тока превращаются в дуги и увеличивается эффективная длина г-области (рис. 16). По сравнению с магниторезисторами добавляется эффект рекомбинации инжектированных носителей в г-области и на поверхности ее боковых сторон. В формулу прямого тока диода добавляется множитель с, характеризующий соотношение длины г'-об-ласти и диффузионной длины.
/ = /с (ехр(ди/скТ - 1). (3)
Коэффициент с связан с подвижностью электронов ц„- и дырок тР-, длиной г-области й, временем жизни инжектированных носителей заряда Оп по формуле
с = 2(Ь + сН й/Ь)/(Ь + 1), (4)
В1
Е В2
и
Рис. 1. Линии тока и изменение тока в магнитном поле в структурах: (а) - магнеторезистора, (б) - магнитодиода, (в), (г), (д), (е) - вертикального, планарного и латерального двухколлекторных магнитотранзисторов, (ж) - латерального двухколлекторного магнитотранзистора, сформированного в диффузионном кармане.
где Ь = тЛР , Ь = (рп хп )1/2 [2Ь/(Ь + 1)]1/2 - эффективная длина диффузионного смещения, Бп - коэффициент диффузии.
Удлинение линий тока сопровождается увеличением множителя с. Ток диода на увеличенной длине линии тока уменьшается за счет рекомбинации и чувствительность растет. В магнитном поле носители прижимаются к поверхности и поверхностная рекомбинация вносит свой вклад в уменьшение тока и повышение чувствительности. При заданном напряжении и магнитной индукции перпендикулярной направлению тока ток магнитодиода уменьшается и следовательно чувствительность отрицательная.
В вертикальном двухколлекторном магнитотран-зисторе (рис. 1в) электроны инжектируются из К+ эмиттера в Р-область базы и собираются на двух К+ коллекторах [6]. Кроме трех перечисленных выше факторов в транзисторе действие магнитного поля приводит к изменению распределения инжектированных электронов между коллекторами С1 и С2. В коллектор С1 приходит больше электронов, его ток увеличивается, й/с1(В)/йВ > 0 и чувствительность положительная. В коллектор С2 прих
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.