BG112639A

BG112639A - Магниточувствителен полупроводников сензор

Info

Publication number: BG112639A
Application number: BG112639A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Вълчева Лозанова Сия; Сия ЛОЗАНОВА; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2019-05-31
Also published as: BG67160B1

Abstract

Магниточувствителният полупроводников сензор съдържа две полупроводникови подложки с примесен тип проводимост - първа (1) и втора (2). Върху една страна на подложката (1) са формирани последователно и на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти, успоредно на дългите си страни - първи (3), втори (4) и трети (5). Върху едната страна на подложката (2) има един централен правоъгълен базов контакт (6), а успоредно на дългите му страни и симетрично на тях са разположени по един правоъгълен колектор (7 и 8), и по един правоъгълен емитер - първи (9) и втори (10). Контактът (3) от подложката (1) е съединен накръстно с емитера (10) от подложката (2), а контактът (5) е свързан накръстно с емитера (9). Контактът (4) от подложката (1) през първи токоизточник (11) е свързан с контакта (6) така, че емитерите (9 и 10) да са включени в права посока. Колекторите (7 и 8) през товарни резистори (12 и 13), и втори токоизточник (14) са включени в обратна посока към контакта (6). Измерваното магнитно поле (15) е приложено успоредно на дългите страни на контактите (3, 4 и 5), емитерите (9 и 10), колекторите (7 и 8) и контакта (6), като колекторите (7 и 8) са изходът (16) на сензора.

Description

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЕН ПОЛУПРОВОДНИКОВ СЕНЗОР

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до магниточувствителен полупроводников сензор, приложимо в областта на мехатрониката и роботиката, слабополевата магнитометрия, безконтактната автоматика, микро- и наноелектрониката, контролно-измервателните технологии, позиционирането на обекти в равнината и пространството, навигацията, биомедицинските изследвания, енергетиката, автомобилната промишленост включително хибридните превозни средства, военното дело и сигурността в това число контратероризъм, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е магниточувствителен полупроводников сензор, съдържащ полупроводникова (силициева) подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани един централен правоъгълен емитер, успоредно на длъгите му страни и симетрично на тях са разположени последователно по един правоъгълен колектор и по един правоъгълен базов контакт. Двата базови контакта са свързани и през първи токоизточник са съединени с емитера така, че той да е включен в права посока. Двата колектора през високоомни товарни резистори и втори токоизточник са свързани с базовите контакти така, че колекторите да са включени в обратна посока. Измерваното магнитно поле е приложено успоредно на дългите страни на емитера, колекторите и базовите контакти като двата колектора са изходът на сензора, [1-3].

Недостатък на този магниточувствителен полупроводников сензор е ниската чувствителност (преобразувателна ефективност) поради доминиращата дифузия на инжектираните токоносители с ниска скорост, водеща до незначителната им Лоренцова дефлекция в колекторните области, и като следствие несъществено изменение на изходното напрежение в магнитно поле.

Недостатък е също редуцираната измервателна точност поради хаотични и неконтролируеми флуктуации в резултат на дифузионните процеси на изходното напрежение, допълнително усилени от транзисторното действие посредством високоомните товарни резистори.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде магниточувствителен полупроводников сензор с висока чувствителност и висока измервателна точност.

Тази задача се решава с магниточувствителен полупроводников сензор, съдържащ две полупроводникови подложки с примесен тип проводимост - първа и втора. Върху едната страна на първата подложка са формирани последователно и на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти, успоредно на дългите си страни - първи, втори и трети. Върху едната страна на втората подложка има един централен правоъгълен базов контакт, успоредно на длъгите му страни и симетрично на тях са разположени последователно по един правоъгълен колектор и по един правоъгълен емитер - първи и втори. Първият омичен контакт от първата подложка е съединен накръстно с втория емитер от втората, а третият омичен контакт е свързан накръстно с първия емитер. Вторият омичен контакт от първата подложка през първи токоизточник е свързан с базовия контакт от втората подложка така, че дватаемитера да са включени в права посока. Двата колектора през товарни резистори и втори токоизточник са включени в обратна посока към централния базов контакт. Измерваното магнитно поле е приложено успоредно на дългите страни на омичните контакти, емитерите, колекторите и базовия контакт като двата колектора са изходът на сензора.

Предимство на изобретението е високата чувствителност поради използване на високоефективен преобразувателен механизъм - модулация на емитерната инжекция на реализирания биполярен магнитотранзистор във втората подложка чрез напрежение и ток на Хол, генерирани в първата подложка.

Предимство е също минималната метрологична грешка в резултат на драстично компенсираните хаотичнии неконтролируеми флуктуации на изходното напрежение на сензора, тъй като преобразувателнта ефективност не се постига чрез високоомни товарни резистори в колекторите, а чрез ефекта на Хол.

Предимство е още повишената пространствена разделителна способност (резолюция), поради значително редуцираните разстояния емитер-базов контакт на магнитотранзистора по причина, че неговото действие не използва Лоренцово управление на дифузията на носители, което изисква дълги базови области, а директно въздействие върху емитерните инжекции чрез ефект на Хол, а размерът на триконтактния елемент на Хол от първата подложка е около два пъти по-малък от този на магнитотранзистора.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Магниточувствителният полупроводников сензор съдържа две полупроводникови подложки с примесен тип проводимост. - първа 1 и втора 2. Върху една страна на подложка 1 са формирани последователно и на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти, успоредно на дългите си страни - първи 3, втори 4 и трети 5. Върху едната страна на подложка 2 има един централен правоъгълен базов контакт 6, успоредно на длъгите му страни и симетрично на тях са разположени последователно по един правоъгълен колектор 7 и 8, и по един правоъгълен емитер - първи 9 и втори 10. Първият омичен контакт 3 от първата подложка 1 е съединен накръстно с втория емитер 10 от втората подложка 2, а третият омичен контакт 5 е свързан накръстно с първия емитер 9. Вторият омичен контакт 4 от първата подложка 1 през първи токоизточник lie свързан с базовия контакт 6 от втората подложка 2 така, че двата емитера 9 и 10 да са включени в права посока. Колектори 7 и 8 през товарни резистори 12 и 13, и втори токоизточник 14 включени в обратна посока към базов контакт 6. Измерваното магнитно поле 15 е приложено успоредно на дългите страни на контакти 3, 4 и 5, емитери 9 и

10, колектори 7 и 8 и базов контакт 6 като колекторите 7 и 8 са изходът 16 на сензора.

Действието на магниточувствителния полупроводников сензор, съгласно изобретението, е следното. При включване на първия източник 11 между контакти 4 и 6, в първата подложка 1 протичат, дйа еднакви и срещуположно насочени тока /3 4 и -/4 5, състоящи се от основни носители например електрони. Същевременно емитерите 9 и 10 са включени в права посока спрямо контакт 6. Накръстното свързване на контакти 3 и 5 с емитерните преходи 10 и 9 обуславя във втората подложка 2 две противоположно насочени инжекции от неосновни токоносители, например от дупки, към базовия контакт 6. Движейки се към контакт 6, дупките достигат до включените чрез втория токоизточник 14 в обратна посока колекторни преходи 7 и 8. Така чрез екстракция на неосновни носители от обратно поляризираните колектори 7 и 8, през двата товарни резистора протичат начални (стартови) обратни токове /₇(0) и Д(0) в отсъствие на магнитно поле В 15. Поради симетрията на триконтактния елемент на Хол с равнинна чувствителност от подложка 1 и на магнитотранзистора с равнинна чувствителност от подложка 2, обратните колекторни токове са равни, /₇(0) = /₈(θ)· Ето защо на диференциалния изход V_Out 16 отсъства напрежение Vout(# = 0) = 0. При евентуални технологични и геометрични несъвършенства в структурите от първата 1 и втората 2 подложка, на изхода V_Out 16 е възможно поява на паразитно начално напрежение - офсет. Неговото пълно компенсиране се лесно осъществява, например с тример, включен към двата еднакви по стойност колекторни резистори 12 и 13.

Прилагането на магнитно поле В 15 се съпровожда с Лоренцова дефлекция на тока през централния контакт 4 на елемента на Хол. В резултат възниква изменение на протичащите токове Δ/₃(Β) и -Δ/₅(Β) през крайните контакти 3 и 5 на подложка 1. Единият, например Δ/₃(Β) нараства, а другият пропорционално намалява. Понеже контакти 3 и 5 са накръстно свързани с емитери 10 и 9, промяната на тези два тока води до директно изменение на инжекцията през емитерите 9 и 10 - през единия от тях тя нараства, а през другия тя намалява. Тази директна модулация на емитерните инжекции води до значително изменение на двата обратни колекторни тока Δ/₇(Β) и -Δ/₈(Β). Така чрез механизма на транзисторното усилване на изхода 16 на сензора се генерира значително по стойност напрежение Vout(^), което е мярка за силата и посоката на измерваното магнитно поле В 15. При функционирането на конфигурацията от Фигура 1 участва и магнитноуправляемият повърхностен ток в полупроводиковите структури, открит от Руменин, Лозанова и Нойков [4].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че за първи път в магнитометрията се комбинира действието на два типа равнинно-магниточувствителни преобразуватели - триконтактен елемент на Хол и биполярен магнитотранзистор. Ключова особеност е, че транзисторната конфигурация от подложка 2 съдържа два емитера 9 и 10, и еднин базов контакт 6, противно на конструкцията от известното решение един емитер и два базови контакта. Иновативна част от решението също е накръстното свързване на крайните контакти: 3 с емитер 10 и 5 с емитер 9. В резултат е постигната директна модулация на емитерните инжекции, предоставяща рекордно викока чувствителност. .

Минималната метрологична грешка се постига .с· невисоките стойности на товарните колекторни резистори от порядъка 4-5 kQ, а не високоомни резистори с номинал 15-20 кП, подсилващи хаотичните и неконтролируеми флуктуации на изходното напрежение на сензора, както е в известното решение. Повишената пространствена резолюция е следствие от замяна на Лоренцовата дефлекция с високоефективната модулация на емитерната инжекция. Първият механизъм изисква дълга базова област за въздействие на силата на Лоренц Fl върху неосновните носители, докато вторият преобразувателен ефект не се нуждае от базова зона с големи размери. Това води до значително редуциране на геометричните размери на магнитотранзисторната конфигурация. От своя страна големината на триконтактния елемент на Хол от подложка 1 е около два пъти по-малка от тази на магнитотранзистора.

Новият полупроводников сензор се реализира на .основата на силициевите технологии. За целта особено удачни са CMOS и BiCMOS процесите, които позволяват едновременното формиране върху обща силициева подложка на елемента на Хол и магнитотранзистора. Предвид неколкократно по-високата подвижност на електроните по отношение на дупките в Si, е необходимо активните преобразувателни области в елемента на Хол и транзистора да са с л-тип проводимост. Сензорът може да функционира в твърде широки температурни граници, включително в криогенна среда. Това допълнително повишава магниточувсгтвителността, например, за целите на контратероризма, навигацията и слабополевата магнитометрия.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] С. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in J.G. Korvink and O. Paul, eds, MEMS - a practical guide to design, analysis and application, W. Andrew Publ., USA & Spriger, pp. 453-521, 2006.

[2] R. Popovic, Hall effect devices, 2^nd ed., ser. The Adam Hilger series on sensors, Bristol, IOP Publ. Ltd, 2004.

[3] C. Roumenin, Bipolar magnetotransistor sensors - An invitedjeview, Sensors and Actuators, A 24 (1990) 83-105.

[4] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators, A 175 (2012) 45-52.

Claims

Магниточувствителен полупроводников сензор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен правоъгълен контакт, успоредно на длъгите му страни и симетрично на тях са разположени последователно по един правоъгълен колектор, и по един краен правоъгълен контакт първи и втори, има два токоизточника - първи и втори като колекторите през товарни резистори, и втория токоизточник са включени в обратна посока, измерваното магнитно поле е успоредно на дългите страни на контактите от подложката като колекторите са изходът на сензора, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има втора полупроводникова подложка (2) с примесен тип проводимост, върху едната страна на която последователно и на равни разстояния един от друг са фбрмирани три правоъгълни омични контакти, успоредно на дългите си страни - първи (3), втори (4) и трети (5), централният контакт (6) и крайните контакти (9) и (10) от подложка (1) са съответно базов и емитерни - първи (9) и втори (10), първият контакт (3) от подложка (1) е съединен накръстно с втория емитер (10) от подложка (2), а третият омичен контакт (5) е свързан накръстно с първия емитер (9), вторият контакт (4) от подложка (1) през първия токоизточник (И) е свързан с базовия контакт (6) от подложка (2) така, че двата емитера (9) и (10) да са включени в права посока, а двата колектора (7) и (8) са включени в обратна посока към базовия контакт (6).