BG66281B1

BG66281B1 - Биполярен магнитотранзистор

Info

Publication number: BG66281B1
Application number: BG109714A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Сия ЛОЗАНОВА
Original assignee: Институт По Управление И Системни Изследвания При Бан
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2012-12-28
Also published as: BG109714A

Abstract

Биполярният магнитотранзистор е приложим в областта на слабополевата и високоточната магнитометрия, контролно-измервателната технология, безконтактната автоматика, сензориката, микроелектрониката, микросистемите, уредостроенето, системите за управление, автомобилостроенето, медицината, военното дело и др. Реализацията на този биполярен сензор е с методите на CMOS, BiCMOS и микромашининг процеси. Постигната е с около 20 % по-висока чувствителност в сравнение с известния биполярен магнитотранзистор в резултат на допълнителния базов контакт, повишаващ ефективността на сензорното действие. Биполярният магнитотранзистор отстранява основни недостатъци на аналогични магниточувствителни сензори - усложнена конструкция и офсет, и съдържа полупроводникова подложка (1) с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани емитер (2) и симетрично от двете му страни, последователно и на разстояния един от друг, съответно по един колектор (3 и 4), и по един външен базов контакт (5 и 6), а срещуположната страна на полупроводниковата подложка (1) е допълнителен базов контакт (7). Двата външни базови контакта (5 и 6) са свързани с нискоомен тример (8). Емитерът (2) е включен в права посока през първи източник на постоянен ток (9) към средната точка на тримера (8), допълнителният базов контакт (7) през втори токоизточник (10) е свързан със средната точка на тримера (8) така, чеполярността му да съвпада с тази на емитера (2), а двата колектора (3 и 4

Description

(54) БИПОЛЯРЕН МАГНИТОТРАНЗИСТОР

Област на техниката

Изобретението се отнася до биполярен магнитотранзистор, приложим в областта на слабополевата и високоточната магнитометрия, контролно-измервателната технология, безконтактната автоматика, сензориката, микроелектрониката, микросистемите, уредостроенето, системите за управление, автомобилостроенето, медицината, военното дело и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е биполярен магнитотранзистор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани емитер и симетрично от двете му страни последователно и на разстояния един от друг съответно по един вътрешен базов контакт, по един колектор и по един външен базов контакт. Емитерът е включен в права посока през първи източник на постоянен ток към двата външни базови контакти, които са свързани помежду си, двата вътрешни базови контакти, които са съединени помежду си през втори токоизточник са свързани с двата външни базови контакти така, че полярността на вътрешните контакти да съвпада с тази на емитера, а двата колектора през еднакви товарни резистори и трети източник на напрежение са включени в обратна посока към двата външни базови контакти. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка, като изходът на биполярния магнитотранзистор са двата колектора [1, 2].

Недостатъци на този биполярен магнитотранзистор са усложнената конструкция, изискваща два вътрешни базови контакти и наличие на паразитен изходен сигнал (офсет) в отсъствие на магнитно поле, редуциращ точността на измерване и разделителната способност на сензора.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде биполярен магнитотранзистор с опростена конструкция, в която да отпадне необходимостта от двата вътрешни базови контакти, запазвайки чувствителността му и да се компенсира (нулира) офсета.

Тази задача се решава с биполярен магнитотранзистор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани емитер и симетрично от двете му страни последователно и на разстояния един от друг съответно по един колектор и по един външен базов контакт, а срещуположната страна на полупроводниковата подложка е допълнителен базов контакт. Двата външни базови контакти са свързани с нискоомен тример. Емитерът е включен в права посока през първи източник на постоянен ток към средната точка на тримера, допълнителният базов контакт през втори токоизточник е свързан със средната точка на тримера така, че полярността му да съвпада с тази на емитера, а двата колектора през еднакви товарни резистори и трети източник на напрежение са включени в обратна посока към средната точка на тримера. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка като изходът на биполярния магнитотранзистор са двата колектора.

Предимства на изобретението са опростената конструкция от отпадането на двата вътрешни базови контакти и пълно компенсиране (нулиране) на офсета с помощта на нискоомния тример.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, показано на фигура 1.

Примери за изпълнение на изобретението

Биполярният магнитотранзистор съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани емитер 2 и симетрично от двете му страни последователно и на разстояния един от друг съответно по един колектор 3 и 4, и по един външен базов контакт 5 и 6, а срещуположната страна на полупроводниковата подложка 1 е допълнителен базов контакт 7. Двата външни базови контакти 5 и 6 са свързани с нискоомен тример 8. Емитерът 2 е включен в права посока през първи източник на постоянен ток 9 към

66281 Bl средната точка на тримера 8, допълнителният базов контакт 7 през втори токоизточник 10 е свързан със средната точка на тримера 8 така, че полярността му да съвпада с тази на емитера 2, а двата колектора 3 и 4 през еднакви товарни резистори 11 и 12 и трети източник на напрежение 13 са включени в обратна посока към средната точка на тримера 8. Магнитното поле 14 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1, като изходът 15 набиполярния магнитотранзистор са двата колектора 3 и 4.

Действието на биполярния магнитотранзистор съгласно изобретението е следното. След включване на трите токоизточника 9, 10 и 13, и в отсъствие на магнитно поле 14 биполярният магнитотранзистор е в режим на функциониране, заключаващ се в инжектираните токоносители от емитера 2, ускорени от допълнителното електрично поле на тока 1_{5 6 7} от основни носители между външните базови контакти 5 и 6 и допълнителния базов контакт 7 се екстрахират от двата колектора 3 и 4, формирайки стартовите колекторни напрежения V₃ и V₄ в съответствие със стойностите на колекторните резистори 11 и 12. Тъй като тези напрежения са с една и също стойност, на диференциалния изход 15 V_out(B) на сензора отсъства сигнал. Неминуемият офсет лесно се компенсира (нулира) чрез вариране на включения между крайните базови контакти 5 и 6 нискоомния тример 8. Предимството е в това, че офсетът се отстранява вътрешно чрез токовете в транзистора, а не външно по схемен път. Така се гарантира стабилност на “нулата” в широк температурен диапазон. Ускоряването на инжектираните токоносители се дължи на съвпадащата полярност на емитера 2 и на допълнителния контакт 7. По същество токът 1_{5 6 7} се състои от две еднакви компонента - едната е през базовия контакт 5, т.е. 1₅, а втората е през базовия контакт 6, т.е 1₆,1₅ = 1₆. Доминиращата част на тези два тока е от вертикалното им протичане между контактите 5 и 6 и допълнителния базов контакт 7.

Прилагането на външно магнитно поле 14 В, перпендикулярно на напречното сечение на подложката 1, т.е. успоредно на горната и долната повърхност, съдържащи контактите 2,3,4, 5, 6 и 7 чрез силата на Лоренц F_L генерира нап режение на Хол V_H(B). То се развива върху горната повърхност на подложката 1, където са разположени емитерът 2, колекторите 3 и 4, и двата външни базови контакти 5 и 6. Чрез напрежението на Хол V_H(B) се управляват инжектираните от емитера 2 неосновни носители, формиращи двата колекторни тока 1₃ и 1₄, респективно колекторните напрежения V₃ и V₄. Напрежението на Хол V_H(B) увеличава линейно единия ток, например 1₃(0) + Делта1₃(В) и едновременно намалява линейно другия 1₄(0) - Делта1₄(В), т.е. V₃(0) + ДелтаV₃(B) и съответно V₄(0) - V₄(B). В резултат на изхода 15 възниква диференциално напрежение Vout(B), което е линейна и нечетна функция на магнитното поле 14 В. Ролята на допълнителния базов контакт 7 в описания сензорен механизъм е да обезпечи токът от основни носители 1_{5 6 7}, който генерира напрежението на Хол. В известното решение това се осъществява от двата вътрешни базови контакти.

Проведените експерименти с р⁺-п-р⁺ силициеви образци на новия биполярен магнитотранзистор, реализирани по стандартна силициева планарна технология, съгласно изобретението, показват, че магниточувствителността е най-малко с около 20 % по-висока в сравнение с известното решение. Това е свързано с по-ефективното генериране на полето на Хол в базовата област на магнитотранзистора с помощта на допълнителния контакт 7. Контактът 7 е едновременно под всички други електроди 2, 3, 4, 5 и 6 и влиянието на полето на Хол Е_Н(В) върху инжектираните носители е по-силно.

Новият неочакван и положителен ефект от предложеното техническо решение е, че е намерена оригинална и опростена конструкция, определяща по-високата магниточувствителност с по-голяма ефективност на сензорното действие. Освен това е отстранен и офсетът в изхода 15 V (В ⁼ θ)· Т°^зи биполярен магнитотранзистор може да се произвежда серийно чрез различните модификации на силициевата интегрална технология, включително CMOS, BiCMOS, микромашининг процеси и др. На негова основа могат да се конструират 2-D и З-D векторни магнитометри, измерващи едновременно и независимо двете или трите компоненти на магнитния вектор 14 В.

Claims

Патентни претенции

1. Биполярен магнитотранзистор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани емитер и симетрично от двете му страни, последователно и на разстояния един от друг, съответно по един колектор и по един външен базов контакт, три токоизточника - първи, втори и трети, като емитерът е включен в права посока през първия източник на постоянен ток, двата колектора - през еднакви товарни резистори и третият източник на напрежение са включени в обратна посока, магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка, като изходът са двата колектора, характеризиращ се с това, че двата външни базови контакта (5 и 6) са свързани с нискоомен тример (8), към средната точка на който са съединени трите токоизточника (9, 10 и 13), а срещуположната страна на полупроводниковата подложка (1) е допълнителен базов контакт (7), който е свързан с втория токоизточник (10) така, че полярността на допълнителния базов контакт (7) да съвпада с тази на емитера (2).

Приложение: 1 фигура

Литература

1. Ch. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in “MEMS a practical guide to design, analysis and applications”, J. G. Korvink and O. Paul ed., William Andrew Publ., USA, pp. 453-523, 2006.
2. Y.-G Song, Ji-G. Ryu, Y.-S. Choi, N-H. Kim, “Fabrication and characteristics of the suppressed sudewall injection magnetotransistor using a CMOS process”, Sensors and Actuators, A 131 (2006) 99-104.