BG109337A

BG109337A - Магнитотранзисторен сензор

Info

Publication number: BG109337A
Application number: BG109337A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Константин ДИМИТРОВ
Original assignee: Чавдар РУМЕНИН; Константин ДИМИТРОВ
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2007-05-31

Abstract

Магнитотранзисторният сензор е със съществено повишена чувствителност и намален собствен шум. Действието на преобразувателя е на основата на модулиране на каналния ток чрез управление с допълнителен потенциал от тип на Хол на областта на пространствен товар под канала на МОSТ. В новия сензор отсъстват инжекционен ток и неравновесна биполярна проводимост, което е ограничение за висок перформанс. Той съдържа полупроводникова подложка (1) с примесен тип проводимост, върху едната страна на която, на разстояние един от друг, са разположени сорс (2)и дрейн (3) с правоъгълна форма, разстоянието между които изцяло е покрито с гейт (4). Дрейнът (3) през товарен резистор (5) и първи източник на напрежение (6) е свързан със сорса (2) така, че да е включен в обратна посока спрямо подложката (1). Гейтьт (4) през втори източник на напрежение (7) е свързан със сорса (2) така, че между сорса (2) и дрейна (3) да съществува канален ток. От двете страни, съответно на сорса (2) и дрейна (3), и на разстояние от тях са формирани още по един правоъгълен омичен контакт (8 и 9) към полупроводниковата подложка (1), успоредни на сорса (2) и дрейна (3). Двата омични контакта (8 и 9) са свързани през трети токоизточник (10) така, че полярността на сорса (2)и тази на разположения до него контакт (8) да съвпадат. Външното магнитно поле (11) е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката (1) и успоредно на правоъгълните контакти (2, 3, 8 и 9). Изходът (12) на магнитотр

Description

Изобретението се отнася до магнитотранзисторен сензор, приложим в областта на сензориката, микро- и нано-електрониката, автомобилната промишленост, системите за управление, контролно-измервателната технология, безконтактната автоматика и позиционирането на обекти в пространството, енергийния сектор, военното дело и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е магнитотранзисторен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояние един от друг са разположени сорс и дрейн с правоъгълна форма, разтоянието между които е изцяло покрито с гейт, а върху цялата срещуположна страна на подложката е формиран омичен контакт. Дрейнът през товарен резистор и първи източник на напрежение е свързан със сорса така, че да е в ключен в обратна посока спряма подложката, гейтът през втори източник на напрежение е свързан със сорса така, че между сорса и дрейна да съществува канален ток, а сорсът през трети източник на напрежение е свързан с омичния контакт върху срещуположната страна на подложката така, че да бъде включен в права посока спрямо нея. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и успоредно на правоъгълните сорс и дрейн. Изходът на магнитотранзисторния сензор са изводите на товарния резистор, [1,2].

Недостатъци на този магнитотранзисторен сензрр.^а повщиетдето собствен шум, ограничаващ минималната стойност на детектируемоте магнитно iiojfa, вследствие инжекцията на неосновни носители от copCi б*7!одлбйЛ<ата и fikcWra магниточувствителност поради редуциране на основния преобразувателен механизъм ефектът на Хол от неравновестната биполярна проводимост, свързана с инжекцията.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задачата на изобретението е да се създаде магнитотранзисторен сензор с понижено ниво на собствен шум и висока магниточувствителност.

Тази задача се решава с магнитотранзисторен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояние един от друг са разположени сорс и дрейн с правоъгълна форма, разстоянието между които изцяло е покрито с гейт. Дрейнът през товарен резистор и първи източник на напрежение е свързан със сорса така, че да е включен в обратна посока спрямо подложката, а гейтът през втори източник на напрежение е свързан със сорса така, че между сорса и дрейна да съществува канален ток. От двете страни съответно на сорса и дрейна, и на разстояние от тях са формирани още по един омичен контакт към полупроводниковата подложка, успоредни на сорса и дрейна. Двата омични контакта са свързани през трети токоизточник така, че полярността на сорса и тази на разположения до него омичен контакт да съвпадат. Външното магнитно поле е приложено перпендикулюрно на напречното сечение на подложката и успоредно на правоъгълните контакти. Изходът на магнитотранзисторния сензор са изводите на товарния резистор.

Предимства на изобретението са ниското ниво на собствен шум и повишената магниточувствителност вследствие отсъствието на инжекционен ток и неравновесна биполярна проводимост, което позволява максималното развитие на основният сензорен механизъм - ефектът на Хол в подложката. Също така магниточувствителността може да се управлява в широк диапазон чрез независимия трети токоизточник.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Магнитотранзисторният сензор съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояние един от друг са разположени сорс 2 и дрейн 3 с правоъгълна форма, разстоянието между които изцяло е покрито с гейт 4. Дрейнът 3 през товарен резистор 5 и първи източник на напрежение 6 е свързан със сорса 2 така, че да е включен в обратна посока спряма подложката 1, а гейтът 4 през втори източник на напрежение 7 е свързан със сорса 2 така, че между сорса 2 и дрейна 3 да съществува канален ток. От двете страни съответно на сорса 2 и дрейна 3, и на разстояние от тях са формирани още по един правоъгълен омичен контакт 8 и 9 към полупроводниковата подложка 1, успоредни на сорса 2 и дрейна 3. Двата омични контакта 8 и 9 са свързани през трети токоизточник 10 така, че полярността на сорса 2 и тази на разположения до него омичен контакт 8 да съвпадат. Външното магнитно поле 11 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на

подложката 1 и успоредно на правоъгълните контакти 2, 3 ., 8 и 2. Изходът. 12. да магнитотранзисторния сензор са изводите на товарния pe^icfop,5., *· *· · ····,

Действието на магнитотранзисторния сензор, ’оъгяаоно «изобретението,.· е следното.

След включване на първия 6 и втория 7 източник на напрежение, чрез вариране на напреженията Ksd и Kgs се установява такъв начален работен режим, при който между сорса 2 и дрейна 3 на МОП (метал-окис-полупроводник) транзистора да съществува дрейнов ток Zsd- Когато се включи третия токоизточник 10 с указаната полярност, токът /g,9 между двата омични контакта 8 и 9 генерира в зоната под МОП транзистора допълнителен потенциал, който разширява обеднената област между канала и подложката 1. Това води до нарастване на праговото напрежение Υχ. Възможността за модулиране чрез допълнителен електрически потенциал на областта на пространствен заряд (ОПЗ) на канала и дрейна 3 на МОП транзистора, а от тук и стойността на каналния ток Zsd, респективно на изходното напрежение K_R 12 върху товарния резистор 5, е в основата на функционирането на магнитотранзисторния сензор. Иновативността на предложеното решение произтича от факта, че омичните контакти 8 и 9, и МОП транзистора формират триизводен елемент на Хол с паралелна ос на магниточувствителност. В случая МОП транзисторът като цяло изпълнява ролята на третия изходен “терминал”, върху който се развива Холовия потенциал. При включване на външно магнитно поле В 11, приложено перпендикулюрно на напречното сечение на сензора и успоредно на контактите 2, 3 ,8 и 9, по протежение на зоната под МОП транзистора се генерира магнитоелектрично напрежение от тип на Хол Име(В)· То е нечетно тъй като промяната в посоката на магнитното поле В 11 води до изменение на знака на напрежението V_Me(jB). В резултат по дължината на областта на пространствен товар на канала на МОП транзистора в магнитното поле В 11 се генерира допълнителен потенциал от тип на Хол, който управлява стойността на каналния ток Zsd(-S), респективно изходното напрежение Vr(B) 12. По същество магниточувствителността на сензора е в резултат на модулацията на коефициента на транзисторно усилване чрез допълнителното напрежение И_МЕ(Л). Както и при ефекта на Хол стойността на напрежението Кме зависи от големината на тока Zg,? и на магнитната индукция В 11. Неочакваният положителен ефект от техническото решение е функционалната интеграция в една и съща област на транзисторно усилване с магнитоелектричния ефект. Това мултиплициране на двата механизма е причината на изхода 12 на сензора да се измерват нестандартно високи стойности на напрежението Vr(B) в сравнение с известните магнитотранзисторни елементи.

Отсъствието на инжекция на неосновни носители и неравновесна биполярна проводимост в подложката 1 обуславя ниското ниво на собствения шум, типично за MOS транзисторите.

Независимото управление на допълнителния потенциал от типа на Хол под областта на пространствен товар на MOS транзистора чрез тока /s,9 позволява целенасочено да се управлява чувствителността в широки граници, което е невъзможно в известното решение.

Резултатите показват, че в новия сензор за магнитно поле чувствителността нараства около 100 %, а нивото на собствения шум намалява с около една декада.

Реализацията на магнитотранзисторния сензор е напълно съвместима със силициевата MOS технология. С развитието на планарната технология за съединенията > е от групата А В , чиято подвижност е многократно по-висока от тази на силиция, предполага драстично увеличаване и на магниточувствителността на новия сензор. Ето защо перспективни ще бъдат материали като GaAs, InSb, InP и др. Тъй като изходът 12 на сензора съдържа начален офсет (начално напрежение Vr(B = 0) > 0 в отсъствие на магнитно поле В = 0), неговото компенсиране може д&' -се’ осъществи· с подкв^ящ резисторен мост, включен например към първия източциК цй нНпр&жеВие* d. В то1и случай изход 12 ще бъде дрейна 3 на МОП транзистора ’ и средната точка’*на резисторния мост (тримера). Освен при стайни температури, новият магнитотранзисторен сензор функционира и в криогенна среда, включително при температура на кипене на течния азот Т = 77 К. Това допълнително разширява приложимостта му за целите на слабополевата магнитометрия.

Claims

1. Магнитотранзисторен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояние един от друг са разположени сорс и дрейн с правоъгълна форма, разстоянието между които изцяло е покрито с гейт и три токоизточника, дрейнът през товарен резистор и първия източник на напрежение е свързан със сорса така, че да е включен в обратна посока спрямо подложката, а гейгьт през втория източник на напрежение е свързан със сорса така, че между сорса и дрейна да съществува канален ток, външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и успоредно на сорса и дрейна, а изходът на магнитотранзисторния сензор са изводите на товарния резистор, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че от двете страни съответно на сорса (2) и дрейна (3), и на разстояние от тях са формирани още по един правоъгълен омичен контакт (8) и (9) към полупроводниковата подложка (1), успоредни на сорса (2) и дрейна (3), двата омични контакта (8) и (9) са свързани през третия токоизточник (10) така, че полярността на сорса (2) и тази на разположения до него омичен контакт (8) да съвпадат.