BG109337A

BG109337A - Magnetotransistor sensor

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

The magnetotransistor sensor is with a substantially increased sensitivity and a reduced own noise. The operation of the transducer is based on modulation of the channel current through control with additional Hall potential of the space load area under the MOST channel. In the new sensor, there are no injection current and unbalanced bipolar conductance, this being a limitation to high performance. It comprises a semi-conducting pad (1) with a mixed type of conductance, on one side of which, at a distance from each other, there being arranged a source (2) and a drain (3) having a rectangularshape, as well as a gate (4) completely covering the space between them. The drain (3), through a load resistor (5) and a first tension source (6), is connected to the source (2) so as to be switched on in a direction opposite to the pad (1). The gate (4), through a second tension source (7), is connected to the source (2) so that there is channel current between the source (2) and the drain (3). On both sides, respectively of the source (2) and the drain (3) and at a distance from them, there are formed further two rectangular ohmic contacts (8 and 9) to the semi-conducting pad (1), parallel to the source (2) and the drain (3). The two ohmic contacts (8 and 9) are connected through a third current source (10) so that the polarity of the source (2) and the polarity of the contact (8) next to it coincide. The external magnetic field (11) is applied perpendicularly to the cross section of the pad (1) and parallel to the rectangular contacts (2, 3, 8 and 9). The output of the magnetotransistor sensor are the terminals of the load resistor (5).

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.The invention relates to a magnetotransistor sensor applicable in the field of sensor, micro- and nano-electronics, automotive industry, control systems, control and measurement technology, contactless automation and positioning of objects in space, energy sector, military, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION

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].A magnetotransistor sensor comprising a semiconductor substrate of impurity type is known, on one side of which a rectangular sour and drain are spaced apart from one another, the distance between which is completely covered by a gate, and on the entire opposite side of the substrate is formed ohmic contact. The drain through the load resistor and the first voltage source is connected to the source so that it is turned in the opposite direction to the substrate, the gate through the second voltage source is connected to the source so that a channel current exists between the source and the drain and through a third voltage source is connected to the ohmic contact on the opposite side of the substrate so that it is connected in a straight direction to it. The external magnetic field is applied perpendicular to the cross-section of the substrate and parallel to the rectangular sours and drains. The output of the magnetotransistor sensor is the terminals of the load resistor, [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.The disadvantages of this magnetotransistor sensor are that it increases its own noise, which limits the minimum value of detectable magnetic iiojfa, due to the injection of non-basic carriers from copCi b * 7! associated with the injection.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL NATURE

Задачата на изобретението е да се създаде магнитотранзисторен сензор с понижено ниво на собствен шум и висока магниточувствителност.It is an object of the invention to provide a magnetotransistor sensor with reduced self-noise and high magnetic sensitivity.

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.This problem is solved by a magnetotransistor sensor containing a semiconductor substrate with impurity conductivity type, on one side of which is a rectangular sour and drain, spaced entirely between gates. The drain through the load resistor and the first voltage source is connected to the source so that it is connected in the opposite direction to the substrate, and the gate through the second voltage source is connected to the source so that there is a channel current between the source and the drain. On both sides of the source and the drain, respectively, and one more distance, one ohmic contact is formed to the semiconductor substrate, parallel to the source and drain. The two ohmic contacts are connected through a third source so that the polarity of the source and that of the adjacent ohmic contact coincide. The external magnetic field is applied perpendicular to the cross-section of the support and parallel to the rectangular contacts. The output of the magnetotransistor sensor are the terminals of the load resistor.

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.Advantages of the invention are the low level of own noise and the increased magnetic sensitivity due to the absence of injection current and non-equilibrium bipolar conductivity, which allows the maximum development of the main sensing mechanism - the Hall effect in the substrate. Magnetic sensitivity can also be controlled over a wide range through an independent third-party source.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE FIGURES Attached

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура.The invention is explained in more detail by an exemplary embodiment given in the accompanying Figure.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES FOR IMPLEMENTATION

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 наThe magnetotransistor sensor comprises a semiconductor pad 1 with impurity conductivity type, on one side of which is a rectangular source 2 and a drain 3, the distance between which is completely covered by a gate 4. The drain 3 through the load resistor 5 and the first a voltage source 6 is connected to the source 2 so that it is turned in the opposite direction to the substrate 1, and the gate 4 through a second voltage source 7 is connected to the source 2 so that there is a channel current between the source 2 and the drain 3. Two rectangular ohmic contacts 8 and 9 are formed on both sides of the source 2 and the drain 3 respectively, and at a distance from them, parallel to the source 2 and the drain 3, respectively. The two ohmic contacts 8 and 9 are connected through the third source 10 so that the polarity of the source 2 and that of the adjacent ohmic contact 8 coincide. The external magnetic field 11 is applied perpendicular to the cross section of

подложката 1 и успоредно на правоъгълните контакти 2, 3 ., 8 и 2. Изходът. 12. да магнитотранзисторния сензор са изводите на товарния pe^icfop,5., *· *· · ····,pad 1 and parallel to rectangular pins 2, 3, 8 and 2. Output. 12. that the magnetotransistor sensor are the terminals of the load pe ^ icfop, 5., * · * · · ····,

Действието на магнитотранзисторния сензор, ’оъгяаоно «изобретението,.· е следното.The operation of the magnetotransistor sensor, "augmented" by the invention, is the following.

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.After switching on the first 6 and second 7 voltage sources, by varying the voltages Ksd and Kgs, such an initial operating mode is established in which a drain current Zsd- exists between the source 2 and the drain 3 of the MOS (metal-semiconductor) transistor. When the third polarity source 10 is switched on with the indicated polarity, the current / g, 9 between the two ohmic contacts 8 and 9 generates in the MOS transistor region an additional potential that widens the depletion region between the channel and the substrate 1. This leads to an increase in the threshold voltage Υχ. The possibility of modulating through the additional electric potential of the space charge region (HF) of the channel and the drain 3 of the MOSFET, and hence the value of the channel current Zsd, respectively, of the output voltage K _R 12 on the load resistor 5, is the basis of the operation of the magnetotransistor sensor. The innovative nature of the proposed solution stems from the fact that the ohmic contacts 8 and 9 and the MOS transistor form a three-element Hall element with a parallel axis of magnetic sensitivity. In this case, the MOS transistor generally acts as the third output "terminal" on which the Hall potential develops. By switching on an external magnetic field B 11 applied perpendicular to the cross section of the sensor and parallel to contacts 2, 3, 8 and 9, a magnetoelectric voltage is generated along the MOS transistor type Hall Name (B) · It is odd, since a change in the direction of the magnetic field B 11 causes a change in the sign of the voltage V _M e (jB). As a result, along the spatial load region of the MOSFET channel in the magnetic field B 11, an additional Hall-type potential is generated that controls the channel current value Zsd (-S), respectively, the output voltage Vr (B). essentially, the sensor's magnetic sensitivity is due to the modulation of the transistor gain by the additional voltage AND _ME (L). As with the Hall effect, the value of the Kme voltage depends on the magnitude of the current Zg,? and magnetic induction B 11. The unexpected positive effect of the technical solution is the functional integration in the same field of transistor amplification with the magnetoelectric effect. This multiplication of the two mechanisms causes the sensor output 12 to measure nonstandardly high voltage values Vr (B) compared to known magnetotransistor elements.

Отсъствието на инжекция на неосновни носители и неравновесна биполярна проводимост в подложката 1 обуславя ниското ниво на собствения шум, типично за MOS транзисторите.The absence of injection of non-basic carriers and non-equilibrium bipolar conductivity in the substrate 1 causes the low self-noise characteristic of MOS transistors.

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.Independent control of the additional Hall-type potential under the space load of the MOS transistor via current / s, 9 allows purposeful control of sensitivity over a wide range, which is not possible in the known solution.

Резултатите показват, че в новия сензор за магнитно поле чувствителността нараства около 100 %, а нивото на собствения шум намалява с около една декада.The results show that in the new magnetic field sensor, the sensitivity increases by about 100% and the noise level decreases by about a decade.

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.The implementation of the magnetotransistor sensor is fully compatible with silicon MOS technology. With the development of planar technology for compounds> it is in the AB group, whose mobility is many times higher than that of silicon, implies a dramatic increase in the magnetosensitivity of the new sensor. Therefore, materials like GaAs, InSb, InP and more will be promising. Since the output 12 of the sensor contains an initial offset (initial voltage Vr (B = 0)> 0 in the absence of a magnetic field B = 0), its compensation can be realized by a resistive bridge connected to, for example, a the first source for our life * d. In this case, output 12 will be the MOS transistor drain 3 'and the midpoint' * of the resistor bridge (trimmer). In addition to room temperature, the new magnetotransistor sensor also functions in cryogenic environments, including liquid nitrogen boiling point T = 77 K. This further extends its applicability for low-field magnetometry purposes.

Claims

1. A magnetotransistor sensor comprising a semiconductor pad having a conductivity type of impurity, on one side of which is a rectangular source and drain, spaced entirely between a gate and three sources, the drain through a load resistor and the first a voltage source is connected to the source so that it is turned in the opposite direction to the substrate, and a gage through the second voltage source is connected to the source so that there is a channel current between the source and the external magnetic field is applied perpendicular to the cross-section of the substrate and parallel to the source and drain, and the output of the magnetotransistor sensor is the terminals of the load resistor, characterized by the fact that on both sides respectively the source (2) and drain (3), and another rectangular ohmic contact (8) and (9) to the semiconductor substrate (1) parallel to the source (2) and the drainage (3) are formed from them, the two ohmic contacts (8) and (9) are connected through the third source (10) such that the polarity of the source (2) and that of the adjacent contact act (8) to coincide.