МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 6, с. 464-467
ПРИБОРЫ МИКРО-И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.3.049.77.002
КОНЦЕНТРАЦИОННО-РЕКОМБИНАЦИОННЫИ МЕХАНИЗМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ БИПОЛЯРНЫХ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ
© 2004 г. Р. Д. Тихонов
НПК "Технологический Центр" МИЭТ E-mail: Pebtm@techcen.zgrad.su Поступила в редакцию 05.01.2004 г.
С помощью приборно-технологического моделирования проведено исследование скорости рекомбинации в латеральном двухколлекторном биполярном магнитотранзисторе, сформированном в диффузионном кармане. Анализ протекания тока при низком уровне инжекции позволил установить концентрационно-рекомбинационный механизм отрицательной чувствительности.
При построении матричных преобразователей магнитного поля в качестве элементной базы используется биполярный двухколлекторный магни-тотранзистор [1]. Отметим следующие достоинства биполярного двухколлекторного транзистора: возможность его формирования в едином технологическом процессе с изготовлением КМОП-интег-ральных схем обрамления; хорошие показатели по абсолютной величине чувствительности, достигающей 7.0 В/Тл [2]; избирательность по направлению вектора магнитного поля.
Биполярный двухколлекторный магнитотран-зистор формируется в диффузионных карманах, обеспечивающих изоляцию приборов друг от друга в составе матриц. В этом случае разница напряжений на рабочих коллекторах в магнитном поле соответствует отрицательной чувствительности по току [2]. В известных работах [3-7] отсутствует объяснение физического механизма отрицательной чувствительности. Анализ этих работ показывает, что при рассмотрении биполярных магнитотранзисторов не учитываются в явном виде процессы рекомбинации электронов и дырок в объеме полупроводника, несмотря на то, что размеры транзисторов обычно сопоставимы с диффузионной длиной.
Для выяснения роли объемной рекомбинации рассмотрим изменение распределения носителей заряда в магнитном поле. На рис. 1 представлены изменения концентрации дырок и электронов, являющихся основными носителями заряда в элементарных объемах полупроводника двух типов проводимости, при приложении магнитного поля с индукцией В и с направлением вектора индукции перпендикулярно плоскости рисунка. Сила Лоренца сдвигает потоки электронов и дырок в сторону одной боковой поверхности при движении носителей заряда в противоположных направлениях и к разным боковым поверхностям при движении носителей заряда в одном направлении.
При введении в объем полупроводника неосновных носителей заряда, например, инжекцией из эмиттера, существуют два варианта протекания потоков носителей заряда. Если в области, где имеется два типа носителей, присутствует электрическое поле, то носители разного знака дрейфуют по направлению поля в противоположных направлениях. Преобладание диффузионного механизма переноса инжектированных неосновных носителей заряда сопровождается переносом основных носителей заряда вместе с инжектированным потоком в одном направлении, что обеспечивает сохранение электронейтральности объема за счет компенсации зарядов [4].
Магнитное поле действует на токи с дрейфовым и диффузионным переносом носителей заряда по-разному. Сила Лоренца сдвигает потоки электронов и дырок при дрейфовом токе в сторону одной боковой поверхности и к разным боковым поверхностям при диффузионном токе.
Электроны и дырки участвуют в процессе рекомбинации. По механизму Шокли-Рида-Холла скорость рекомбинации определяется произведением неравновесных концентраций электронов
п и дырок р по формуле ~ (пр - п2), где щ - собственная концентрация носителей заряда [3].
Рост или уменьшение концентрации электронов и дырок, а также скорости их рекомбинации при воздействии магнитного поля происходит при дрейфовом механизме протекания тока в одних и тех же частях объема полупроводника, а в случае диффузионного характера протекания тока - в разных. Изменение концентрации носителей заряда, рост или уменьшение скорости рекомбинации в отдельных областях полупроводника приводит к изменению коэффициента переноса инжектированных носителей заряда из эмиттера в рабочие коллектора биполярного магнитотранзис-тора. Таким образом возникает концентрационно-
-и
в
сМ(Н)
-сМ(Н)
р-тип
+и
Рь(е)
в
сМ(е)
-йИ(е)
и-тип
+и
в
т{Н)
-йЩН)
р-тип
I
I
I
-йх
йх -йх йх -йх йх
и=0
в
Рис. 1. Изменение концентрации дырок № и электронов № в элементарных объемах полупроводника в магнитном поле с индукцией В под действием силы Лоренца
рекомбинационный механизм чувствительности биполярного магнитотранзистора. Величина изменения токов биполярного магнитотранзистора при воздействии магнитного поля, т.е. чувствительность по току зависят от конкретной геометрии прибора.
В биполярном магнитотранзисторе, сформированном в диффузионном кармане, на рис. 2 расстояния между эмиттером и коллектором, между эмиттером и контактом к базе выбраны достаточно большими по сравнению с диффузионной длиной для того, чтобы рекомбинация в активной и пассивной базах оказывала существенное влияние на процесс переноса инжектированных из эмиттера электронов. Длина пассивной базы больше длины активной базы. Базовая область р-типа проводимости, эмиттер п+, п+ контакт к подложке формируются диффузией.
В такой структуре транзистора инжектированные электроны в пассивной базе проходят большое расстояние вдоль поверхности, а им навстречу течет поток дырок. Напряжение между эмиттером и контактом к базе создает тянущее поле
для двух типов носителей заряда. Магнитное поле отклоняет потоки носителей заряда к поверхности, где их концентрации растут и усиливается рекомбинация. Поток электронов, протекающих в пассивной базе, уменьшается. За контактом к базе в рабочей коллекторной области ток уменьшается, следовательно, чувствительность будет отрицательная.
В направлении коллектора в активной базе нет электрического поля и инжектированные электроны создают диффузионную составляющую тока. Положительно заряженные дырки притягиваются к инжектированным электронам и вместе с ними диффундируют в сторону коллектора-подложки. Магнитное поле отклоняет потоки носителей заряда в разные стороны, их концентрации в области протекания потока электронов уменьшаются, скорость рекомбинации тоже уменьшается. Поток электронов, поступающих в коллектор, увеличивается. Таким образом, при данной конфигурации прибора чувствительность по току в коллекторе-подложке будет положительная.
466 ТИХОНОВ
Контакт к коллектору
Рабочий коллектор
Контакт к базе
эмиттер
В
/е
/к
«-подложка
/е
Р-карман
Р-пассивная база
Р-активная база
Рис. 2. Распределение потоков дырок /е (пунктирные стрелки) и электронов ТН (сплошные стрелки) в структуре биполярного магнитотранзистора, содержащего эмиттер, коллектор-подложку, базу-диффузионный карман, рабочий коллектор.
При высоком уровне инжекции в области пассивной базы может возобладать диффузионная составляющая тока электронов и знак относительной чувствительности по току в рабочий коллектор станет положительным.
Для другого направления магнитного поля, или для симметричной конфигурации расположения контактов по отношению к указанной на рис. 2 знак чувствительности по току поменяется. Двухколлек-торный биполярный магнитотранзистор состоит из эмиттера и симметрично расположенных относительно эмиттера двух рабочих коллекторов, двух контактов к базе и к подложке. Чувствительность такого прибора имеет противоположные знаки в левой и правой частях.
Структура биполярного магнитотранзистора достаточно сложная. Получить распределения носителей заряда, скорости их рекомбинации, величины токов в виде аналитического выражения или экспериментально вряд ли возможно. Для получения этих распределений необходимо прибор-но-технологическое моделирование.
В результате исследования с помощью программ приборно-технологического моделирования фирмы КБ получены распределения концентраций электронов и дырок, а также скорости их рекомбинации по механизму Шокли-Рида-Холла в структуре двухколлекторного латерального п-р-п-бипо-лярного магнитотранзистора, сформированного в кармане р-типа проводимости на подложке п-типа.
Перераспределение потоков носителей тока под действием силы Лоренца и, соответственно, изменение распределения скорости рекомбина-
ции по величине мало даже в сильных магнитных полях, поэтому для определения этого изменения проведено вычитание скоростей рекомбинации, которые имеются в магнитном поле и без приложения магнитного поля. Распределение разности скоростей рекомбинации в диапазоне минус 1019-плюс 1019 см-3 с-1 представлено на рис. 3 для области активной базы биполярного магнитотранзистора.
Как видно из рисунка слева от оси симметрии (отрицательные значения длины) скорость рекомбинации сильно возрастает, а справа падает. В области активной базы механизм протекания тока имеет диффузионный характер, поток дырок в левой части отклоняется силой Лоренца навстречу отклонению потока электронов. В правой части электронный и дырочный потоки отклоняются в разные стороны. Вблизи перехода карман-подложка происходит разделение потока электронов на два потока, идущих к областям контактов к подложке, поэтому уменьшается концентрация электронов в каждом потоке и уменьшается, соответственно, скорость рекомбинации.
Объемная диаграмма распределения разности скоростей рекомбинации наглядно демонстрирует, что в большой части кармана слева от оси симметрии скорость рекомбинации увеличивается, а справа падает. Данное распределение скорости рекомбинации определяет снижение тока в левом рабочем коллекторе и увеличение тока - в правом. Это соответствует отрицательной чувствительности. Если не учитывать рекомбинацию, то магнитное поле отклоняет поток электронов в сторону левого коллектора и ток в нем возрастает, и чувствительность имеет положительный знак.
Скорость рекомбинации ШРХ, 1/см3/с 0.1
-0.1
0
мкм
0
мкм
1019 8 х 1018 6 х 1018 4 х 1018 2 х 1018 0
-2 х 1018 -4 х 1018 -6 х 1018 -8 х 1018
Рис. 3. Распределение разности скоростей рекомбинации в магнитном поле и без воздействия магнитного поля в структуре биполярного двухколлекторного магнитотранзистор
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.